復雜地質條件下綜放礦壓綜合治理技術研究

王志鵬

（大同煤礦集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037100）

1 概 況

東周窯煤礦在開采8202工作面時，由于該工作面頂板厚而且堅硬，頂板不易自然垮落，隨著回采距離的增加在工作面中部形成了大面積懸頂，在工作面推進至160m時，懸頂大面積垮落產生沖擊波，所幸未造成人員傷亡。

由于巖層結構的特點，堅硬頂板工作面具有來壓顯現強烈、動載系數大、來壓步距大、冒落巖石塊度大、頂板冒落高度大等礦壓特點。

為防止堅硬頂板懸板面積變大，導致大面積垮落，該礦在同盤區的8200工作面采取頂板水壓致裂的方法，人為預先降低頂板的整體強度，防止堅硬頂板大面積垮落。

2 水壓致裂分析

2.1 8200工作面概況

8200工作面位于石炭系5#層二盤區，西南側為C5#層8202工作面采空區，東北側與永財坡煤礦相鄰，其余側均為實煤。對應的上覆無侏羅系煤系地層，不存在小窯采空區。

8200工作面長230m，可采走向長度410m。煤層厚度3.5～13m，平均厚度為7.04m，煤黑色，弱玻璃光澤，塊狀，成分以暗煤為主，見鏡煤及亮煤條帶，參差狀斷口。根據切眼附近B1513鉆孔柱狀圖，8200工作面切眼的基本頂為7.21m厚的含礫粗砂巖，灰色，灰白色，成分以石英為主，次之長石，局部含礫。直接頂為6.5m厚的泥巖+煌斑巖+粉砂巖以及3.57m厚的5-1煤，直接頂總厚度為10.07m。

2.2 設備情況

設備型號及參數如下：使用天津通潔3BZ6.7/63-200注水泵（見圖1），Φ50mm水力割縫專用封孔器，Φ10mm安裝桿，Φ50mm定向水力致裂開槽鉆頭（見圖2）。

2.3 致裂孔布置設計

（1）施工地點：8200工作面切眼。

（2）設計致裂孔高度：8200工作面切眼直接頂厚10.07m，基本頂厚7.21m，初步確定致裂孔高度為直接頂與基本頂一半之和約13.67m。鉆機開孔位置離地為1.6m（離巷道頂板2m），鉆孔穿透煤層的距離為6.75m，再加頂板高度13.67m，確定孔底至孔口垂高為20m。

（3）仰角：根據鉆機的使用參數，傾角確定為45°。

（4）孔長：20/sin45°=28.6m，確定為29m。

（5）鉆孔方向：鉆孔豎直方向垂直于煤壁，向上與水平面夾角45°。

（6）孔口位置：在切眼距離底板1.6m處的煤體內開孔。

（7）鉆孔布置及數量：工作面切眼長230m，由尾巷向頭巷每隔20m布置一個孔，共11個鉆孔，第一個孔在切眼內距順槽巷幫15m處。具體參數如圖3、圖4和表1所示。

圖1 3BZ6.7/63-200型高壓注水泵

圖2 開槽鉆頭

圖3 8200切眼巷水壓致裂孔示意圖

2.4 鉆孔施工

采用Ф55mm鉆頭施工，然后退出鉆桿，換開槽鉆頭，送到孔底開槽。施工鉆孔后進行水壓致裂。共施工11個鉆孔，總計319m。

圖4 A—A剖面圖

表1 鉆孔參數

2.5 水壓致裂效果

（1）由于我國煤礦大都采用長壁式綜合機械化采煤法，工作面的推進速度比較快，使用水力壓裂控頂技術滿足快速實施的特點，頂板能夠及時垮落。

（2）通過對堅硬頂板水力分段多次壓裂和注水軟化，削弱上覆巖層儲存的高應力，減小工作面端頭三角區懸頂問題，實現隨采隨垮，減小煤柱應力集中效應，減小巷道變形的問題。

（3）通過對堅硬頂板水力分段多次壓裂后工作面上隅角氣體集聚明顯減少。

（4）分段多次水力壓裂控頂技術不會對正常的回采工藝產生干擾。

（5）實現了對上覆巖層的多次壓裂和軟化。

（6）同時，水力壓裂技術具有安全性高、工程量小、成本低及適應性強(如高瓦斯礦井)等特點。該技術已經在神東、神南礦區推廣應用，取得了良好的技術與經濟效益。

（7）分段多次水力壓裂可削弱巖層的整體性和穩定性，并定向切割頂板巖層，通過人為的方法削弱煤巖體承載的高應力，使巷道或工作面處于低應力區域。同時也有利于回采銜接工作，具有很高的技術價值。

8200工作面5200巷臨近8202采空區，受工作面開采動壓及采空區壓力傳遞的影響，為了防止巷道頂板垮漏，確保開采安全，提前主動支護。對5200巷采取如下提前主動支護措施：

（1）在5200巷超前支護范圍內，部分地段單體柱下壓兩根4m長11#工字鋼梁，提高了巷道的整體支護能力及防止巷道底鼓。

（2）頂板破碎處提前鋪設雙層金屬網，增加頂板的整體性，防止原支護的頂網受力撕裂后引起頂煤（矸）漏冒而使原支護失效，使頂板與單體支護形成一個整體。

（3）注馬麗散加固頂板，在回采位置100m、210m處頂板破碎區提前在巷道注馬麗散加固頂板。注馬麗散的眼距6m，眼深6m，眼徑Ф28mm。提高了煤（巖）體的整體強度，保證了巷道頂板的穩定性。

（4）對巷道頂板破碎、下沉嚴重的地段補打錨索鋼梁或者組合大板加強支護。錨索為Ф17.8×7300mm， 鋼 梁 為4.8m長 的11#礦 用工字鋼。一梁三索，鋼梁間距1.8m（打在無單點錨索的兩根鋼帶之間），眼距2.0m，對稱布置，托板為80×90×16mm的鋼托板。組合大板為600×600×16mm，一塊組合大板5根錨索，中間眼錨索為Ф17.8×10300mm，其他四根為Ф17.8×7300mm。每根錨索使用一卷ck2335、兩卷z2360錨固劑。提高了巷道頂板支護能力及防止巷道頂板下沉。

（5）提前對采位90～150m巷道進行起底，保證工作面的正常回采和巷道行人暢通。

在回采過程中由于巷道內多處出現底鼓、頂板破碎下沉、臨空側肩角巷幫鼓出等現象。為了防止巷道頂板垮漏，確保開采安全，增加如下補強和加強措施：

① 加長超前支護長度，超前支護長度由50m增加到100m，支護間排距不變。

② 增加支護數量。工作面煤壁往外20m范圍內在原三排超前支護的中間增加兩排支柱，柱距與原支護相同。頂板破碎處可再增加臨時支柱。

③ 單體支柱穿鞋。增大單體支柱與底板接觸面積，避免支柱因鉆底而降低支護強度，提高超前支護的整體支護能力。

以往臨空巷壓力顯現明顯、巷道變形嚴重。巷道原來高度3.5m，變形后最低處巷道高度僅為2.2m，嚴重影響了工作面的正常回采。通過一系列的綜合治理，和以往臨空巷對比，5200巷經過提前主動支護，巷道移近量僅為300mm，有效地控制了巷道的穩定性，保證了回采的順利進行。

3 技術創新

（1）通過水壓致裂后，8200工作面初次來壓步距為32m，相比未采取水壓致裂的工作面，來壓步距縮短了13m。

（2）達到了工作面安全與高效的生產，成功對頂板進行了處理，使處理后的頂板巖體的物理力學性質發生了變化。

（3）減小了堅硬頂板的懸露面積，避免發生大面積的頂板來壓。

（4）由被動支護改為主動支護，提前控制頂板及圍巖穩定。

（5）通過提前注馬麗散、提前鋪設雙層金屬網、補打錨索鋼梁或者組合大板、起底多項綜合治理方式有效地防止了巷道頂板垮漏，確保開采安全。

4 結 論

（1）提前對頂板進行弱化，比起退錨等措施更加安全可靠。

（2）購買的設備可重復使用，后期投資少。

（3）采取水壓致裂措施后，工作面推進至9m時，懸頂開始垮落，無需采取其他措施就消除了大面積懸頂的隱患。