辛置煤礦2-208工作面頂板弱化技術

伊軍榮

(霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

近些年來，堅硬頂板突發性冒落引起的礦山災害事故頻發[1]，為了有效控制這類堅硬難垮落頂板，目前主要運用了頂板注水和爆破弱化技術[2-4]。這兩種方法通常單獨施工，且施工工藝復雜、施工成本較高。爆破致裂過程的除塵、降溫難度較大，亟須充分結合水力致裂與頂板定點爆破的優點、優化采空區堅硬頂板的弱化方案，即利用同一個鉆孔，分別設計并實施水力致裂與頂板定點爆破(頂板鉆孔的耦合致裂和弱化方案)。耦合弱化的方案不僅可以有效降低多個鉆孔的施工難度和成本，還能在一定程度上達到降溫、除塵的目的。注水軟化所需時間較長，但提前施工注水并不影響采煤工作面的正常作業，注水不僅可以預裂浸潤部分頂板，還可以在煤巖體已經注水致裂的前提下(煤巖體呈固液狀態)進行爆破，這樣可使頂板覆巖裂隙數量增加，進一步弱化堅硬頂板。

1 工作面概況

辛置煤礦2-208綜采工作面走向長175 m，傾向長579 m，所采2號煤層為可采穩定煤層，煤層厚3.8～4.3 m，平均4.1 m。煤層直接頂主要由薄層狀半堅硬的泥巖、砂泥巖組成；老頂主要為灰白色厚層狀堅硬難冒落中細砂巖，煤層頂、底板物理力學參數如表1。工作面回采過程中極易引發頂板大面積懸露，安全隱患較大。根據現場實測，未實施頂板預裂的2-208臨近工作面初次來壓步距為32 m，周期來壓步距12 m。

表1 煤層頂、底板物理力學參數

2 頂板弱化方案

2.1 鉆孔長度及角度

在2-208綜采工作面兩巷，每排布置耦合鉆孔2個，編號1號、2號，孔深為32.0 m，其中注水長度32.0 m，裝藥長度為24.0 m，封孔長度8.0 m，鉆孔直徑為110 mm。首排鉆孔布置在超前工作面10 m處，排距6.0 m，一次性施工10排鉆孔，分別在工作面兩巷同時施工，施工結束后封孔注水，注水5 d后裝藥爆破，隨著工作面推進鉆孔循環施工，直至該工作面回采結束。1號、2號鉆孔與煤層傾向方向夾角均為65°，1號鉆孔與煤層走向方向夾角為30°，2號鉆孔與煤層走向方向夾角為55°，采用六合煤機廠生產的BZW200/56型號注水泵，采用兩泵一箱壓裂，單泵公稱流量200 L/min，公稱壓力56 MPa。耦合致裂鉆孔布置如圖1所示。

2.2 水力致裂壓力

合理水力致裂注水壓力應有上、下限閥值，上限值的確定基本原則為一定頂板埋深下覆巖不會漏水，下限值的確定應在一定的時間里注入所需的水量，通常不大于2 MPa。式(1)為煤層頂板埋深與注水壓力(Pw)之間的關系。

(1)

式中：H為煤層頂板埋深，m。

所采2號煤層頂板埋深約350 m，帶入(1)式中，通過計算求得最大理論壓力22.3 MPa，最終確定的壓力為22 MPa。

圖1 頂板耦合致裂鉆孔空間布置

2.3 水力致裂單孔注水量

通過式(2)可計算得出單孔注水量。

Mk=K·T(W1-W2)

(2)

式中：Mk為單孔所需的注水質量，kg；T為所需浸潤煤巖體的質量，T=l×a×h×ρr；W1為頂板飽和含水率，%，可根據調研地質資料確定；W2為注水前頂板初始含水率，%；K為水量不均衡系數；l為鉆孔長度，m；a為鉆孔周圍待潤濕巖體半徑，m；h為覆巖厚度，m；ρr為頂板視密度，kg/m3。

根據調研結果：K取0.5，l=32 m，a=5 m，h=300 m，ρr=2.8×103kg/m3，(W1-W2)為0.01%。將所取參數帶入公式中，可以計算得出單一鉆孔所需水量6.72 t。

3 現場應用效果分析

基于以上采空區頂板耦合弱化方案，分別在辛置煤礦2-208綜采工作面運輸、回風巷內，對堅硬頂板實施耦合弱化處理。為進一步了解預裂效果，對該工作面回采過程中實施礦壓觀測，得出工作面礦壓顯現規律，及初次來壓步距、周期來壓步距，并將監測結果同鄰近未實施頂板弱化處理的工作面監測結果進行分析對比，明確2-208工作面實施頂板預裂弱化處理的意義。

1) 初次來壓監測分析。未實施弱化的相鄰工作面，回采至30 m時頂板初次來壓，懸頂面積3 000 m2左右，而2-208工作面耦合弱化處理之后，初次來壓位置在21 m處，懸頂面積約2 100 m2，初次來壓步距提前了9 m，懸頂面積減少了近30%。

2) 周期來壓監測分析。根據初次來壓與周期來壓間的關系，2-208工作面周期來壓步距預計為12 m。2-208工作面回采至33 m時，據預測工作面將會第一次周期來壓，但現場觀測發現，采空區內并沒有出現大面積懸頂。工作面回采至50 m位置時，根據預測工作面將再次周期來壓，但現場實際觀測發現，支架壓力值無明顯波動，采空區未出現大面積空頂。

3) 工作面礦壓觀測。據工作面礦壓實時監測，2-208綜采工作面頂板在耦合致裂處理之后，支架荷載明顯降低，如圖2所示，2-208工作面支架壓力比未進行弱化的臨近工作面支架壓力平均低5～6 MPa，耦合致裂效果明顯，液壓支架能適應頂板的周期性垮落。2-208工作面回采期間支架壓力峰值為26.8 MPa，未超過報警值40 MPa，且工作面沒有出現大范圍來壓現象，也未出現煤壁片幫、支架傾覆等現象。

圖2 工作面支架壓力曲線

分析認為，在2-208工作面回采前，耦合致裂在頂板內產生大量裂隙，成功弱化了部分堅硬頂板。在工作面開采過程中，借助超前支承壓力的預裂作用，及時促進了采空區堅硬頂板的垮落，減小了工作面的初次來壓步距，避免了頂板的大范圍懸頂。此外，耦合致裂可以對頂板進行定向切割，促進了頂板的分塊垮落，減小初次來壓強度，使支架荷載降低，為工作面的安全高效回采提供了保障。

4 結 語

1) 針對辛置煤礦2-208綜采面堅硬難垮落頂板，提出耦合致裂方案為孔深32.0 m，注水長度32.0 m，裝藥長度24.0 m，封孔長度8.0 m，孔排距6.0 m，鉆孔直為110 mm，水泵壓力控制在22 MPa，單一鉆孔所需水量6.72 t。1號、2號鉆孔與煤層傾向方向夾角為65°，1號鉆孔與煤層走向方向夾角為30°，2號鉆孔與煤層走向方向夾角為55°。

2) 現場試驗表明，采用耦合致裂方法處理堅硬難垮落頂板，有效解決了頂板大面積懸頂問題，使2-208綜采面實現了安全回采，為辛置煤礦在堅硬頂板處理問題上提供了科學依據，對于指導后續工作面頂板控制意義重大，也為類似礦井提供了參考依據。