工作面上覆采空區大面積懸頂隱患治理技術

王青泉 程禹熙

【摘 要】針對房柱式采空區下方近距離煤層開采時上覆煤柱易失穩，容易發生頂板大面積突然垮落進而造成強動壓災害的問題，以中煤華昱公司元寶灣煤礦為工程背景，分析了6號煤工作面回采過程中上覆 4 號煤房柱式采空區頂板突然大面積垮落的可能性，研究了復合采空區條件下煤層開采頂板致災機理，引入了分段定向水壓致裂強制放頂技術手段。通過在元寶灣礦6煤6203回采工作面切眼及順槽運用定向水壓致裂技術對工作面頂板及上覆采空區頂板進行弱化治理，縮短了工作面初次來壓和周期來壓步距，減小了工作面來壓強度，成功地防治了上覆房柱式采空區大面積懸頂導致的垮落致災隱患，保證了工作面的安全回采。取得了良好的經濟和社會效益，并為類似礦井的安全回采提供了實踐參考。

【關鍵詞】回采工作面;上覆房柱采空區;大面積懸頂;定向水壓致裂;頂板隱患治理

中圖分類號： TD752.2 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）23-0197-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.095

0 引言

上個世紀八九十年代，全國煤炭市場疲軟，地方煤炭開采實施“有水快流”政策，大多數地方煤礦采用落后的“房柱式”或“殘柱式”打眼放炮采煤方法，技術裝備水平低，生產工藝落后，以掘代采，采掘不分，留下了大量的房柱式采空區。近年來，隨著開采深度的不斷加大，很多礦井逐步進入房柱式采空區下開采。中煤華昱公司地處朔州地區，所屬礦井大多為資源整合礦井，整合前普遍采用房柱式（巷柱式）開采，老窯的無序開采形成了大量無規則的老空區，老空區內存在積水、積氣、頂板、火區等眾多隱患，且資料不明，嚴重威脅著礦井的安全生產。主要威脅為：在老空區下部煤層回采期間，上覆煤層老空區頂板有可能突然大面積垮落而產生沖擊地壓甚至颶風，損壞設備，傷及人員;上覆老空區積水有可能突然涌入回采工作面，發生透水事故;老空區有毒有害氣體還有可能涌入回采工作面，引起人員中毒事故。

1 工程背景

1.1 礦井概況

中煤華昱公司元寶灣煤礦屬資源整合兼并重組礦井，由原山西山陰元寶灣煤礦和山陰縣上漫溝煤礦及部分新增資源整合而成，整合后井田面積為5.1591km2，批準開采3#～11#煤層，批準礦井生產能力為90萬噸/年。

井田內可采煤層為3#、4#、6#、9#、11#煤層。其中：3#煤層除部分采空外其余全部蹬空，不可采;4#煤層大部分資源整合前已被采空，存在大量小窯老空區;6#煤層為現開采煤層;9#、11#煤層尚未進行開采。

1.2 老空懸頂隱患分析

礦井在整合之前，采用房柱式（巷柱式）開采方式對4#煤層進行了大范圍回采，形成了眾多的大面積采空區，老空區域內老巷、老空呈網狀分布，遺留的老空區一般長30～60m、寬7m～30m、高6m～9m，大都分老空區頂板懸而未落。根據周邊礦井經驗，6#煤層工作面回采時，4#煤層老空區頂板有可能突然大面積垮落，導致安全事故。具體危害有：

1）沖擊支架，損壞設備。頂板突然垮落時，頂板沖擊載荷直接作用于支架上，安全閥無法及時泄液，損壞立柱及其它結構。周邊華夏煤礦在回采6#煤層時，就曾發生過上覆4#煤層頂板突然大面積垮落，沖擊工作面支架，造成設備損壞。

2）形成颶風。當頂板突然大面積垮落時，采空區的空氣被急速壓縮，形成颶風，造成人員傷亡，設備損壞。

3）有害氣體涌出到工作面。經實地探測發現，4#煤層部分老空區內存在高濃度CO氣體，當4#煤層老空區頂板大范圍突然垮落時，老空區內大量有毒、有害氣體將瞬間壓入6#煤層工作面，危及工作面人員人身安全。

華昱公司針對整合礦井井田內老窯采空較多，存在老空大面積懸頂、老空積水、有毒有害氣體等安全隱患，與相關科研院所合作在元寶灣礦6#煤層6203工作面開展了工作面上覆采空區大面積懸頂隱患治理技術研究。

1.3 工作面概況

1）工作面布置

6203工作面長度180m，設計走向長度860m，煤層傾角4°～8°，煤層厚度4.8m～9.1m（平均5.0m），與4#煤老空區層間距9.6m～21.1m（平均15.3m）。工作面采用綜合機械化回采工藝。

2）工作面頂板巖性

受4#煤層老空影響區域內的4#、6#煤層頂板巖性情況如下：

（1）4#煤層頂板巖性特征：4#煤層與3#煤層層間距為6.8～15.3m（平均11m），由南向北逐漸變厚;兩煤層間巖性由下至上依次為灰白色粗砂巖5～5.7m、深灰色細砂巖1.8～3.8m、灰黑色砂質泥巖0～5.8m。頂板砂巖抗壓強度53.6Mpa。

（2）6#煤層頂板特征：6#煤層與4#煤層間距為8.56～19.72m（平均15m），由南向北逐漸變厚。頂板砂巖抗壓強度29.3Mpa。

2 老空懸頂災害治理方案

2.1 方案的選擇

目前在處理采空區大面積懸頂方面，普遍采用爆破強制放頂和水壓致裂弱化頂板兩類手段，其優缺點分別如下。

1）強制放頂法

（1）采后爆破（循環淺孔放頂法、步距式深孔放頂法）。

優點：技術簡單，效果明顯直接。

缺點：干擾回采工序，影響回采進度。

（2）采前爆破（深孔預爆破弱化頂板法）。

優點：技術簡單，適應性強，效果明顯直接。

缺點：工程量和炸藥量大，安全性差，成本高，污染井下空氣。

2）注水弱化法

優點：與爆破法相比費用低，安全性好;

缺點：注水效率低，弱化效果難以人為控制。

3）定向水力壓裂法

優點：控頂效果顯著，成本低，施工快。

缺點：致裂方向易受原生裂隙的影響。

結合元寶灣煤礦的實際情況，在處理6#煤層上覆4#煤采空區頂板時，為防止爆破引起采空區氣體爆炸，故選擇采用定向水力壓裂法處理頂板。

2.2 定向水壓壓裂系統與工藝

2.2.1 定向水壓壓裂系統

完整的一套水壓致裂系統采用的設備與儀器主要包括：能夠提供高壓的煤層注水泵，預制橫向切槽鉆頭，封孔器或封隔器，高壓膠管;配套儀器主要包括：用于觀察切槽效果的礦用電子鉆孔窺視儀，用于監測及評價注水壓裂過程的水壓、水量采集儀及數據處理軟件。

1）預制橫向切槽鉆頭

預制橫向切槽鉆頭，橫向切槽形狀如圖1所示。

橫向切槽鉆頭具體指標如下：

（1）水力壓裂鉆孔直徑55mm，切槽半徑約為鉆孔半徑的2倍。

（2）能夠在單軸抗壓強度為50～150Mpa的堅硬巖石中形成橫向切槽。

（3）切槽尖端能夠形成有效拉應力集中。

2）跨式膨脹型封隔器

跨式膨脹型封隔器的特點是能夠保持較高的壓力，并且能夠選擇鉆孔目的段（如巖層堅硬段）進行封孔，可實現在同一鉆孔中進行分段逐次壓裂，從而達到弱化頂板巖層的目的。

3）高壓注水壓裂設備

水壓致裂工藝設備包括：3BZ7.1-66-160高壓注水泵（額定功率160KW，最大注水壓力可達到66MPa），高壓膠管（可承受住80MPa的水壓），封孔器（當封孔器內部水壓超過4MPa時，封孔器會膨脹將孔壁封住，封孔器內沒有水壓時，會自動收縮并從孔中滑出），封隔器（可實現孔內指定位置的封孔），壓力表等。

2.2.2 定向水力壓裂控頂技術工藝

1）鉆孔開槽

首先利用大功率地質鉆機、堅硬巖石專用鉆頭在需壓裂的堅硬頂板上打孔。根據圍巖條件，鉆頭直徑為55mm，孔深根據堅硬頂板的厚度及鉆孔的角度確定，鉆孔的角度可根據所需壓裂面角度的變化而確定，鉆孔的水平投影與巷道的水平夾角一般為70°～75°;第二步，換上特殊的可開槽鉆頭，在鉆孔的底部開一個直徑約為孔徑一倍的楔形槽;然后利用小孔徑全景鉆孔窺視儀進行鉆孔窺視，觀察開槽效果;最后用靜壓水沖洗鉆孔，為下一步壓裂做準備。

2）封孔

封孔方法是先將橡膠封孔器置于預定封孔位置，即將壓裂鋼管段置于預裂縫處，然后開泵加壓，使封孔器膠管膨脹撐緊孔壁，由于封孔器采用的自平衡結構，故能承受很高的水壓，保證高壓水可使預裂縫起裂并不斷擴展，達到弱化頂板目的。

3）水力壓裂

鉆孔壓裂是利用高壓水泵來提供高壓水，然后通過高壓膠管、注水鋼管以及壓裂鋼管進行壓裂，通過高壓水泵的壓力表或水壓儀的壓力曲線監測預裂縫的起裂。

預裂縫起裂后水壓會有所下降，繼而進入保壓階段，在這個階段，裂紋擴展的同時伴隨著新裂紋的產生，利用流量計監測流量及注入的水量，保證頂板巖層充分弱化和軟化。

2.3 6203工作面采空區頂板治理方案

結合4#煤老空區實地探測結果，6203工作面受上覆4#煤老空區影響范圍為446m，為了達到預期的治理效果，頂板預裂方案分兩步實施。

第一步：在工作面切眼內施工水壓致裂孔，采用定向水壓致裂技術進行工作面初采強制放頂。

第二步：在工作面兩順槽及工作面內實施頂板水壓致裂。

2.3.1 工作面切眼內水壓致裂放頂方案

1）頂板處理高度的確定

6#煤按平均厚度5.0m計算，Hc=3.5m（割煤高度），設頂板崩落厚度為Hx，巖石碎脹系數為﹠=1.27，為保證冒落頂板能完全充填采空區，有如下公式成立：Hx*﹠=Hc+Hx

計算得Hx=12.9m

因此，頂板弱化處理后，垮落高度應達到12.9m以上時，即可對采空區產生較好的充填效果。結合6#煤與4#煤層間距情況，為確保6203工作面頂板垮落后能充分填滿采空區，經分析討論確定人工處理頂板高度為13m（具體處理高度應綜合考慮切眼附近的實際層間距，在打孔得到的實際層間距基礎上，對鉆孔深度進行調整）。

2）切眼內水壓致裂孔布置

在切眼內向兩個方向布置水壓致裂孔：即垂直于煤壁向工作面前方布置水壓致裂孔和平行于切眼向運輸順槽方向布置水壓致裂孔。水壓致裂孔水平傾角40°（其中回風順槽端頭最外側的致裂孔處需補一個傾角60°、孔深15m的致裂孔，以方便對該區域頂板致裂），孔徑55mm，孔深20m（在6m、12m、20m處開槽，或者不開槽情況下在此處用封隔器壓裂），工作面內水壓致裂孔間距12m，上下端頭處致裂孔間距6m。（如圖2所示）。

切眼內初采定向水壓致裂工作完畢后，時刻關注工作面推進過程中頂板的垮落情況，當工作面推進至35～40m時，若工作面后方頂板還未垮落時，立即在工作面采取定向水壓致裂放頂措施。從工作面內每隔12m向采空區方向打水壓致裂孔，孔徑65mm，孔深20m，傾角40°，并在6m和孔底位置開槽。（如圖3所示）。

2.3.2 工作面及兩順槽水壓致裂頂板方案

1）采前預處理

在6203工作面回采過程中，為防止4#煤老空區頂板懸而不冒，設計在6203工作面超前切眼30m范圍內的兩順槽中向4#煤頂板打孔壓裂。

在運輸、回風順槽每隔10m布置一個鉆場，每個鉆場施工3組鉆孔，鉆孔垂直順槽布置，與煤層夾角分別為15°、25°和40°，每組鉆場共布置鉆孔9個。鉆孔施工順序為1#、2#、3#，鉆孔需穿過4#煤層。

當鉆孔鉆至4#煤層遇采空時，停止鉆孔，該鉆孔用于采空區探放水及氣體檢測。

鉆孔施工過程中，若鉆孔鉆至4#煤層為實體煤時，則應繼續鉆孔至4#煤層頂板上方5m處，該孔作為水壓致裂鉆孔，具體參數如圖4所示。

2）回采過程中水壓致裂處理

（1）工作面兩順槽內頂板處理措施

為對4#煤層老空區上方的堅硬砂巖頂板進行處理，在4#煤層采空區頂板未冒區域下方的6203工作面兩順槽內每隔15m向上方頂板施工一組鉆孔，每組有2個鉆孔，編號為B1、B2，鉆孔方向垂直于煤壁，其中：B1孔設計長度為42m，與煤層夾角為40°;B2孔設計長度為63m，與煤層夾角為25°，鉆孔直徑均為55mm（鉆孔具體長度以鉆孔終孔位置達到4#煤頂板上方垂高5m位置為準，如圖5所示）。

（2）工作面端頭頂板處理措施

當工作面端頭出現大面積懸頂時，為保障4#煤層頂板順利垮落，需對6203工作面端頭頂板進行處理。為防止工作面回采過程中，端頭出現大面積懸頂時，鉆機不好運進，需提前在超前工作面70m范圍內的兩順槽內每隔10m向采空區方向布置兩個平行于順槽的鉆孔。1個鉆孔傾角45°，孔深16m;另1個鉆孔傾角60°，孔深13m，孔徑均為65mm。

3）工作面內頂板處理措施

工作面內頂板處理視頂板垮落情況而定，若工作面采空區頂板垮落不好，則在工作面距上、下端頭各30m外的工作面架間，斜向工作面前方60°進行開孔致裂，孔間距15m，孔深37m，孔徑55mm;工作面每推進15m，進行一次水壓致裂。（鉆孔布置示意圖如圖6所示）。

2.4 6203工作面頂板（老空懸頂）治理效果

2.4.1 工作面切眼內水壓致裂放頂效果

1）水壓致裂過程中能觀測到隔壁孔、煤壁、巷道頂板、支架后方滲水，并能聽到頂板斷裂聲音，這說明水壓致裂在頂板內產生了新的裂隙并將裂隙進行了導通。

2）在工作面向前推進至9.5m位置之前，工作面整體壓力較小;當工作面推進至10.7m位置時，部分支架后方頂煤開始冒落;當工作面推進至19.6m位置時，大部分支架后方直接頂開始垮落;當工作面推進至35m位置時，工作面內大部分區域壓力較大，很多支架安全閥開啟，且出現煤壁片幫現象，因此判斷工作面發生初次來壓，初次來壓步距為35m;當工作面推進至48m位置時，除機尾段個別支架壓力較大（上方為煤柱區域）外，工作面大部分區域壓力緩和下來，基本沒有煤壁片幫現象，初次來壓結束，初次來壓持續距離在13m左右。而此時在地表也首次觀測到沉陷，沉陷區長度130m左右，寬度50m左右，地表出現的裂縫寬度和落差可達90cm。

通過對6203工作面初采期間來壓情況、支架后方頂板垮落情況、地表沉陷情況進行綜合分析，可以得出，工作面初采期間的水壓致裂強制放頂措施取得了良好的效果。

2.4.2 工作面兩順槽內水壓致裂弱化頂板效果

1）水壓致裂過程中能觀測到隔壁孔、煤幫、巷道頂板的滲水情況，這說明水壓致裂在頂板內產生了新的裂隙并將裂隙進行了導通。

2）工作面推進至53m位置時，工作面機頭段支架壓力較大，伴隨著煤壁片幫，發生第一次周期來壓，第一次周期來壓步距為17～20m，持續距離5～10m不等;第二次周期來壓步距為17～19m，持續距離7～10m左右。

3）在工作面回采過程中，觀測到地表沉陷超前工作面25m左右，這說明該位置的4#煤層頂板發生了垮落，這是水壓致裂和礦壓綜合作用的結果，水壓致裂對頂板進行了弱化，在礦壓作用下，水壓致裂區域的頂板發生了垮落。由此可以得出判斷，6203工作面初次來壓步距在35m左右，周期來壓步距在15～20m左右。

4）目前6203工作面已安全回采完畢，回采期間沒有發生4#煤層老空區頂板突然大面積垮落動壓災害，而且周期來壓步距較沒有采取水壓致裂措施的6104工作面減小5m左右，說明水壓致裂技術取得了良好的效果。

3 結論

1）通過采用水壓致裂技術對工作面4#煤、6#煤頂板進行弱化處理，工作面周期來壓步距大為縮小，來壓強度也明顯減弱，避免了6#煤工作面回采期間4#煤頂板突然垮落引發的動壓災害，老空懸頂隱患得到了有效消除。

2）截止到2019年5月底，元寶灣礦運用水壓致裂治理技術已安全回采4個工作面，多采出煤炭230萬噸，累計實現利潤1.95億元。

3）本治理技術成功地消除了上覆房柱式采空區大面積懸頂導致的垮落致災隱患，保障了上覆采空區大面積懸頂條件下工作面的安全回采，取得了良好的經濟和社會效益，為類似礦井的安全回采提供了實踐參考。

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