綜采工作面端頭三角區(qū)懸頂處理措施研究

摘 要：針對綜采工作面回采端頭造成三角區(qū)懸頂?shù)膯栴}，6102綜采工作面特采取深孔松動預(yù)裂爆破方案和定向水力壓裂放頂技術(shù)，通過綜合比較，定向水力壓裂放頂具有安全性高、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，其能削弱頂板的強(qiáng)度和整體性，現(xiàn)場采用定向水力壓裂后實測，巷道頂板在40min以內(nèi)其有效壓裂范圍能夠達(dá)到10m以上，應(yīng)用效果較好。

關(guān)鍵詞：三角區(qū)；定向水力壓裂；懸頂

為了更好地抓好綜采工作面兩順槽頂板安全管理，確保兩順槽采空區(qū)頂板隨工作面推進(jìn)及時垮落，減少懸頂面積，防止頂板及次生事故發(fā)生，6102綜采工作面在回采過程中端頭三角區(qū)容易產(chǎn)生懸頂，針對6102綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷條件以及以往綜采工作面兩順槽采空區(qū)頂板管理措施及經(jīng)驗，必須采取專項措施，避免懸頂面積進(jìn)一步擴(kuò)大。

1 工程概況

6102工作面為一單斜構(gòu)造，傾向西南，開采6#煤層，賦存穩(wěn)定，傾角平緩，一般厚約5.2m，局部煤層厚度有變化，含0-2層夾矸，夾矸厚度約0.1m，對煤質(zhì)影響不大。煤層頂板為細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖，底板為泥巖、炭質(zhì)泥質(zhì)。煤巖力學(xué)參數(shù)見表1。

運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽為矩形斷面，其規(guī)格為：毛高2.6m，凈高2.5m，毛寬4.5m，凈寬4.3m；頂幫均采用錨桿支護(hù)。切眼規(guī)格為：毛高2.6m，凈高2.5m，毛寬7.0m，凈寬6.8m；巷道支護(hù)采用錨桿支護(hù)，錨索補(bǔ)強(qiáng)。切眼東幫為四趟風(fēng)水管路，切眼內(nèi)中部還有一排木點柱加強(qiáng)支護(hù)。切眼內(nèi)中部有一個2×1.5m的臨時水倉。

2 方案設(shè)計

2.1 深孔松動預(yù)裂爆破方案

在綜采面煤壁以東12m-32m區(qū)段，間隔3m布置一組炮孔，每組炮孔布置5個單孔，以扇形形式布置，炮孔方位均垂直煤層，按照不同傾角向上布置；每個炮孔進(jìn)入頂板巖層的厚度為20m，沿頂板傾向方向終孔間距5m，封孔長度20m，詳見表2炮眼參數(shù)及裝藥量說明表。通過以上方式對該區(qū)段內(nèi)未垮落的頂煤和頂板進(jìn)行強(qiáng)制預(yù)裂爆破，炮孔的最小抵抗線不小于3m，以此處理綜采面采空區(qū)大面積懸頂現(xiàn)象，剩余懸頂區(qū)段待下分段采面回采前進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

頂板深孔預(yù)裂爆破使用的炸藥選用煤礦許用乳化炸藥，炮眼裝藥結(jié)構(gòu)采用不偶合連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，即每15節(jié)炸藥段安裝一個引藥引爆，每個引藥安裝兩個雷管，每個炮眼所有引藥必須利用煤礦許用放炮母線串聯(lián)，裝藥及起爆方式為正向起爆方式。炮眼封泥選用較潮濕的黃土和專用封孔水泥，其中孔口以內(nèi)3m區(qū)段采用水泥封堵，其他封孔區(qū)段采用黃土進(jìn)行封堵炮孔。

2.2 定向水力壓裂放頂方案

根據(jù)6102綜采工作面頂板圍巖強(qiáng)度、圍巖性質(zhì)與結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)和地應(yīng)力場特征，結(jié)合在其他煤礦綜采工作面的壓裂經(jīng)驗等進(jìn)行的定向水力壓裂進(jìn)行設(shè)計。

2.2.1 切眼水力壓裂鉆孔布置

6102綜采工作面切眼內(nèi)煤壁側(cè)鉆孔長度為50m，仰角10°；切眼老塘側(cè)鉆孔長度為30m，仰角17°，切眼內(nèi)鉆孔共計18個。另在機(jī)頭機(jī)尾再補(bǔ)充四個鉆孔，補(bǔ)充鉆孔從綜采工作面切眼兩端處頂板進(jìn)行補(bǔ)打。工作面機(jī)尾煤壁側(cè)補(bǔ)充鉆孔長度為50m，仰角10°，切眼老塘側(cè)鉆孔長度為30m，仰角17°；工作面機(jī)頭煤壁側(cè)補(bǔ)打鉆孔長度為50m，鉆孔水平投影與巷道夾角為15°，切眼老塘側(cè)鉆孔長度為30m，仰角17°；鉆孔采用直徑為Φ56mm的鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆孔方向朝綜采工作面切眼前方及后方頂板方向。以上四個鉆孔的布置方式為皮帶巷為主進(jìn)風(fēng)時的布置方式，當(dāng)軌道巷為主進(jìn)風(fēng)時，機(jī)頭機(jī)尾兩個鉆孔布置方式進(jìn)行對調(diào)。

2.2.2 順槽水力壓裂鉆孔布置

為加強(qiáng)水力壓裂的效果，縮小綜采工作面初次垮落步距、周期垮落步距、工作面機(jī)頭機(jī)尾懸頂面積，特在綜采工作面兩順槽進(jìn)行補(bǔ)充鉆孔，補(bǔ)充鉆孔布置為雙側(cè)布置，鉆孔長度為27m，孔間距為25m，鉆孔仰角為22°，鉆孔水平投影與巷道夾角為15°，鉆孔采用直徑Φ56mm的鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆孔方向朝綜采工作面采空區(qū)。

2.3 方案比較

在深孔爆破，鉆孔作業(yè)常發(fā)生鉆孔被堵現(xiàn)象。鉆孔被堵導(dǎo)致一些炮孔深度發(fā)生變化，給裝藥帶來很大的困難，甚至造成炮孔報廢。若是炮孔被堵部分為孔底，則因裝不夠藥而造成爆后留根；或者由于炮孔被堵深淺不一，造成底盤高低不平；若局部炮孔全堵，將影響整體爆破效果。

定向水力壓裂在頂板巖層壓裂段中預(yù)制切槽，對切槽段封孔并注入高壓水進(jìn)行壓裂，破壞頂板巖層的完整性，削弱頂板巖層的強(qiáng)度和整體性[1-2]。與爆破放頂技術(shù)相比，定向水力壓裂放頂具有安全性高、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等特點。因此，選擇采用定向水力壓裂技術(shù)[3-4]。

2.4 定向水力壓裂施工要求及安全措施

試驗過程為高壓注水壓裂過程，為保證安全，作業(yè)地點80m范圍內(nèi)拉警戒，試驗期間嚴(yán)禁人員通過，操作人員及設(shè)備應(yīng)距離壓裂點50m以上。

高壓泵運(yùn)行過程中，操作人員應(yīng)時刻注意觀察各管路接頭是否正常，有無異?，F(xiàn)象，如有異常應(yīng)及時停止作業(yè)，對存在的隱患及時處理，一切正常后方可繼續(xù)施工。

壓裂過程中，保證一定的注水時間，確保壓裂、軟化充分，同時注意觀察壓裂孔周圍頂板，煤壁，若有水滲出，立即停止壓裂。

3 效果監(jiān)測

通過現(xiàn)場觀測，巷道頂板起裂壓力為23MPa，延伸壓力為19MPa。發(fā)現(xiàn)壓裂孔東側(cè)10m考察孔出口處壓力表讀數(shù)為15.6MPa，上方、西側(cè)考察孔壓力均超過壓力表量程（10MPa），下方壓力表沒有讀數(shù)，但有水流出?？梢耘袛?，頂板在40min以內(nèi)其有效壓裂范圍能夠達(dá)到10m以上，效果較好。

4 結(jié)語

定向水力壓裂技術(shù)有效控制堅硬頂板的同時，避免給6102綜采工作面的正?；夭蓭碛绊?，工作面端頭三角區(qū)懸板面積減少，消除了大面積冒落的惡性事故，注入水或定向水力壓裂水還使得巖塵、煤塵減少，節(jié)約截齒消耗量，對防止煤層自燃有利。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

杜艷春（1970- ），山西省臨縣人，2015年7月畢業(yè)于東北大學(xué)釆礦工程專業(yè)（本科），現(xiàn)為工程師，從事煤礦采煤技術(shù)研究及管理工作。