佳峰煤礦隅角頂板強(qiáng)制放頂技術(shù)研究

范常勝

（山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司佳峰煤礦，山西 孝義 032300）

采面隅角頂板懸露是影響工作面頂板管理和瓦斯防治效果的難題，通常采面隅角懸頂面積和滯空時(shí)間越小，采場(chǎng)礦壓越平穩(wěn)。對(duì)于隅角頂板懸露問(wèn)題，專家學(xué)者通過(guò)研究及實(shí)踐提出了強(qiáng)制放頂技術(shù)以消除生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)[1-4]，如提前退錨、預(yù)裂爆破放頂、水力壓裂等。但預(yù)裂爆破存在爆炸后污染井下空氣、放炮期間影響正常生產(chǎn)和易引發(fā)瓦斯和煤塵爆炸等問(wèn)題，威脅礦井安全生產(chǎn)。水力壓裂技術(shù)在煤礦堅(jiān)硬頂板弱化、沿空留巷切頂及采面防沖方面得到了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)通過(guò)在堅(jiān)硬頂板內(nèi)部預(yù)制裂隙，然后通過(guò)高壓水力拓展裂隙，實(shí)現(xiàn)人工提前弱化頂板的效果。同預(yù)裂爆破相比，水力壓裂技術(shù)具有無(wú)有毒有害氣體產(chǎn)生、裂隙可控且預(yù)裂過(guò)程安全等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。本論文針對(duì)1116運(yùn)輸順槽隅角不易垮落問(wèn)題，結(jié)合工作面的開(kāi)采參數(shù)設(shè)計(jì)了水力壓裂方案，為隅角頂板管控提供了解決方案。

1 工程背景

佳峰煤礦1116工作面運(yùn)輸順槽屬于+820 m水平一采區(qū)，南為1116工作面，東至井田保安煤柱線，西鄰南軌道大巷，北為1115工作面采空區(qū)。巷道沿11#煤層底板掘進(jìn)，標(biāo)高為+799～ +833 m，巷道設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為1403 m。巷道斷面形狀為矩形，凈寬為4.5 m，凈高為2.6 m。

1116工作面開(kāi)采10+11#煤層，10#與11#為合并層，平均煤層厚度為6.91 m，煤層傾角為0°～8°。頂板有一層厚度為15.68 m的K2石灰?guī)r，巖層強(qiáng)度較高。頂?shù)装鍘r性特征見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

由于1116運(yùn)輸順槽上覆厚達(dá)15.68 m的石灰?guī)r基本頂，在回采時(shí)工作面隅角頂板易出現(xiàn)懸頂現(xiàn)象，不利于采面安全回采。隅角頂板的突然垮落易引起端頭支架壓架事故，同時(shí)沖擊氣流易帶出采空區(qū)瓦斯瞬間涌出造成瓦斯超限，威脅采面人員、設(shè)備的安全生產(chǎn)。

2 隅角頂板強(qiáng)制放頂技術(shù)

2.1 強(qiáng)制放頂技術(shù)確定

采面隅角頂板發(fā)生懸露的原因一般是因?yàn)轫敯遒x存堅(jiān)硬完整的巖層，上方巖層裂隙弱面較少，采空區(qū)弧形三角板未能及時(shí)垮落，支架移架后頂板在采空區(qū)懸露，造成應(yīng)力集中和能量積聚。頂板垮落形態(tài)如圖1。

圖1 工作面開(kāi)采后頂板垮落形態(tài)示意

針對(duì)采空區(qū)隅角弧形三角板懸露問(wèn)題，專家學(xué)者經(jīng)過(guò)實(shí)踐研究提出了一系列較為成熟的隅角頂板強(qiáng)制放頂技術(shù)，目前應(yīng)用較多的主要有兩種：水力壓裂技術(shù)和預(yù)裂爆破技術(shù)。

（1）水力壓裂技術(shù)

水力壓裂技術(shù)是通過(guò)高水壓拓展巖層的結(jié)構(gòu)弱面，使巖體的結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)一步劣化，降低隅角頂板巖層的力學(xué)性能，使頂板能夠及時(shí)垮落，是目前應(yīng)用較為廣泛的巖體劣化技術(shù)。

（2）預(yù)裂爆破技術(shù)

預(yù)裂爆破技術(shù)是通過(guò)爆破的沖擊能量破壞隅角頂板的結(jié)構(gòu)完整。深孔預(yù)裂爆破技術(shù)在采面堅(jiān)硬頂板治理工作面中應(yīng)用廣泛。

綜合考慮技術(shù)施工的安全性和頂板放頂效果等因素，決定通過(guò)水力壓裂的方式對(duì)1116上順槽隅角頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂，以解決隅角頂板懸露問(wèn)題。

2.2 隅角水力壓裂切頂機(jī)理

在回采工作面超前位置，沿巷道走向在頂板肩窩位置施工水力壓裂鉆孔，鉆孔內(nèi)通過(guò)施工環(huán)向切槽預(yù)制裂隙，然后通過(guò)水壓作用拓展預(yù)制裂隙形成更大范圍的破壞，弱化巖體結(jié)構(gòu)完整和力學(xué)性能。采面推過(guò)后，受超前支承壓力作用和煤柱切頂作用，隅角弧形三角板巖塊能夠及時(shí)垮落，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制放頂?shù)哪康摹Ｋ毫延缃琼敯迩许敊C(jī)理如圖2。

圖2 水力壓裂隅角頂板切頂機(jī)理示意

2.3 水力壓裂參數(shù)設(shè)計(jì)

基于水力壓裂切頂機(jī)理及1116工作面頂板巖層賦存特征，確定水力壓裂鉆孔布置及壓裂參數(shù)。

（1）為保證頂板水力壓裂破壞范圍，保證強(qiáng)制放頂效果，在1116運(yùn)輸順槽非回采側(cè)巷幫頂板及距巷幫1 m處頂板布置2組壓裂鉆孔。每組鉆孔的排距設(shè)計(jì)為10 m，直徑均為56 mm。巷幫鉆孔長(zhǎng)16 m，仰角70°；距巷幫1 m鉆孔長(zhǎng)20 m，與巷道中線夾角為5°，仰角70°。鉆孔布置如圖3。

圖3 水力壓裂鉆孔布置圖

（2）水力壓裂鉆孔實(shí)施過(guò)程中，每間隔2 m利用切槽鉆頭提前在孔壁磨出定向裂縫，壓裂過(guò)程中每2 m進(jìn)行一次壓裂，使得水壓可以進(jìn)一步拓展破壞預(yù)制裂縫。注水壓力設(shè)定為17～32 MPa，保壓時(shí)間設(shè)定為20～30 min。需要超前采面50 m距離處開(kāi)始實(shí)施水力壓裂，壓裂鉆孔距孔口8 m范圍內(nèi)不進(jìn)行水力壓裂，保護(hù)頂板錨索支護(hù)系統(tǒng)的完整性。

（3）利用雙端封孔及高壓注水組合系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)在水力壓裂過(guò)程中對(duì)孔內(nèi)分段高壓注水。壓裂順序?yàn)橛煽椎紫蚩卓诜较蜻M(jìn)行分段多次壓裂，壓裂前需封閉封孔器，然后按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行高壓水力壓裂。完成單次水力壓裂后，外退封孔器至下一壓裂段，按上述操作進(jìn)行重復(fù)壓裂，直至單孔壓裂結(jié)束。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

通過(guò)水力壓裂措施，1116運(yùn)輸順槽隅角頂板力學(xué)性能被弱化，能夠?qū)崿F(xiàn)隨采隨落，避免應(yīng)力和能量在隅角頂板產(chǎn)生積聚，防止發(fā)生由頂板突然破斷引起的動(dòng)力沖擊和壓架現(xiàn)象。為驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)施效果，對(duì)采場(chǎng)礦壓情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

（1）隅角頂板垮落情況

根據(jù)隅角頂板監(jiān)測(cè)結(jié)果，采取強(qiáng)制放頂措施后1116運(yùn)輸順槽隅角可隨采面推進(jìn)及時(shí)破斷垮落，最大懸頂面積為2×4.5 =9 m2，平均懸頂面積低于6 m2，部分區(qū)域頂板弱化效果較好，支架后方頂板無(wú)懸頂，隅角頂板在支架后方破斷。同未采取強(qiáng)制放頂區(qū)域相比，頂板懸頂面積降低了46～52 m2。

（2）采場(chǎng)來(lái)壓情況

在1116運(yùn)輸順槽端頭支架安設(shè)在線壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)采取水力壓裂前后周期來(lái)壓步距及支架壓力情況，見(jiàn)表3。未采取水力壓裂措施前端頭支架周期來(lái)壓步距為39 m，壓裂后為18.3 m，采取水力壓裂措施后隅角頂板周期來(lái)壓步距比壓裂前降低了20.7 m，降低53.1%。采取水力壓裂措施可明顯降低支架受力，工作阻力降低了16.6%。表明水力壓裂措施的實(shí)施可有效切落隅角頂板。

表2 水力壓裂前后端頭支架來(lái)壓步距及支架壓力

根據(jù)上述采場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，可得出強(qiáng)制放頂技術(shù)可實(shí)現(xiàn)預(yù)期隅角頂板控制效果，有效避免隅角頂板的懸露，大幅降低頂板懸露面積，緩解煤壁和端頭支架需承受的上覆巖層重力載荷，避免煤壁片幫、壓架等現(xiàn)象的發(fā)生，保障工作面安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)1116工作面運(yùn)輸順槽上覆堅(jiān)硬灰?guī)r頂板引起的隅角頂板懸露問(wèn)題，為保證頂板及時(shí)垮落，提出在巷道內(nèi)采取水力壓裂技術(shù)對(duì)隅角頂板進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

（2）通過(guò)采取強(qiáng)制放頂技術(shù)后，隅角頂板能夠及時(shí)垮落，隅角頂板懸露面積較小，基本頂來(lái)壓平穩(wěn)，支架壓力較小，保證了采面安全生產(chǎn)。