氣相切頂卸壓圍巖應力轉移技術研究

1 項目背景

馬脊梁礦屬大同煤礦集團的千萬噸礦井，馬脊梁礦8105工作面北西、西南均為實煤區、南東為8103工作面采空區。8105 工作面開采時對臨近的5105 巷道會形成一次或多次采動動壓影響，且在工作面推進后，堅硬頂板難以自然垮落；8103 采空區未能完全充填，造成部分頂板懸頂，形成懸臂梁結構，覆巖重力作用在巷道圍巖上，在這些不利影響的復合作用下，5105 巷道出現了較嚴重的頂板下沉、兩幫移近、底鼓和強礦壓顯現現象，對工作面的安全高效回采造成了極大的影響，所以有必要采用氣相切頂的方式對工作面進行超前預裂，從而有效控制巷道圍巖變形。

針對該問題，需采用超前預裂切頂卸壓的方式實現圍巖應力轉移，防止圍巖變形及沖擊礦壓等具有安全隱患的現象出現。經綜合考慮，采用二氧化碳致裂技術是比火工品深孔預裂爆破和水壓致裂卸壓方式更加安全、經濟、便捷的切頂卸壓方式。

2 研究內容

針對以上工程實際，同煤集團聯合北京中煤礦山工程有限公司科研團隊，展開技術攻關，對馬脊梁礦8105 臨空工作面5102 巷超前預裂切頂卸壓開展了深入的研究工作，通過理論分析、數值模擬及實驗室試驗，系統研究了不同地應力下鉆孔參數對裂隙開啟與擴展的影響、切頂高度及角度與圍巖應力狀態變化的關系，形成了針對大同礦區堅硬頂板得氣相切頂超前預裂成套技術，有效控制了巷道圍巖變形，滿足了安全開采的需要。最終形成了一套適用于大同礦區堅硬頂板的氣相切頂卸壓技術，解決了工作面臨空巷道強礦壓顯現問題。

2018 年12 月09 日，為了確保井下切頂致裂能夠順利進行，在馬脊梁礦地面預先進行了二氧化碳致裂器串聯導通性試驗。如圖1所示。

圖1 致裂器導通性實驗

為了解決5105 臨空巷道圍巖變形和強礦壓顯現問題，2019 年7 月～2019 年12 月在馬脊梁礦開展了氣相切頂卸壓工業性試驗。試驗段在5105 巷道200 m～350 m處，未切頂區域測站設置在巷道450 m處。致裂后致裂孔現場圖如圖2所示。

圖2 致裂后致裂孔現場圖

3 創新成果

（1）為了確保井下切頂致裂能夠順利進行，在馬脊梁煤礦地面預先進行了二氧化碳致裂器串聯導通性試驗，并詳細記錄了串聯阻值。結果表明：串接電阻值的增幅基本穩定，在串接至第39 根時電阻值突然增大100Ω。50根致裂器串接完畢后進行起爆試驗，為保證試驗安全方便，僅對第一根致裂器充灌液態二氧化碳，最終第一根致裂器成功起爆，其余致裂器中的發熱裝置點火頭均起爆，表明個別阻值異常增大并不影響其導通性。

（2）為了確定合理的致裂爆破參數，針對CO2致裂器爆破進行了實驗室測試，確定了致裂器與鉆孔孔徑匹配關系、爆破時鉆孔中不同位置受力情況及封孔對爆破效果的影響。結果表明：致裂器與孔壁間距越小轉換率越高，封孔條件下爆破壓力比不封孔高54.0%，泄放壓力主要作用于釋放孔的徑向。因此在現場應用中，致裂器與孔壁間距選取5 mm～10 mm為最佳，且致裂前要進行封孔處理。

（3）針對馬脊梁礦8105 工作面生產地質條件，應用數值模擬，對不同致裂孔間距、切頂高度、角度下切頂后采場圍巖應力分布情況做出了分析。結果表明：氣相切頂卸壓技術能有效切斷巷道與采空區頂板之間應力傳播途徑，從而減弱實體煤幫內部應力集中現象，改善了巷道圍巖應力狀態，使其不再受采空區頂板垮落下沉影響，使巷道頂板圍巖得到了有效控制；致裂器在巖層中最大有效致裂半徑為1.1 m，致裂孔間距2 m為最佳；不同切頂高度及角度對采場和巷道應力環境的改變不同，在工程應用中應根據不同條件和目的進行參數優化。

（4）采用方案一（切頂角度30°、深度26.68 m）、方案二（切頂角度45°、深度18.86 m）、方案三（切頂角度60°、深度15.40 m）在5105 巷進行了工業性試驗，對比分析了未切頂段及不同切頂卸壓段的超前單體液壓支柱阻力、圍巖變形量及煤柱支承壓力，結果表明：巷道超前單體液壓支柱工作阻力升高的影響范圍約34～40 m，較未切頂區域，切頂角度為30°、45°、60°的區域支承壓力峰值分別降低了21.8%、10.3%、3.4%；深基點離層量分別降低了16.5%、10.5%、3%；淺基點離層量分別降低了30.8%、33.8%、7.35%；最大工作阻力分別下降12.55%、8.32%、3.09%；45°和60°圍巖變形量幾乎未變，30°的變形量減小了28.7%。綜上所述，切頂卸壓后可降低超前單體液壓支柱工作阻力、圍巖變形量及煤柱的支承壓力，有利于巷道超前段的圍巖控制，采用方案一時卸壓效果最佳。

4 應用效果

項目研究成果在馬脊梁礦8105 工作面進行了現場應用，新增產值2 867.5 萬元，新增利稅1 380.9 萬元。有效改善了工作面臨空巷道圍巖應力狀態，實現了圍巖應力向實體煤幫深部轉移，改善了臨空巷道的維護條件，實現了礦井的安全高效生產。

本項目于2020年1月通過了中國煤炭工業協會組織的鑒定，獲國內先進水平。