堅硬頂板綜采工作面水力壓裂控頂技術研究

王 偉

（山西焦煤汾西礦業(yè)雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

當綜采工作面開采的煤層頂板堅硬時，回采過程中普遍存在采空區(qū)冒落不嚴實、不及時，工作面超前處壓力顯現(xiàn)劇烈的情況[1-2]。同時采空區(qū)大面積空頂會增加采面礦壓顯現(xiàn)強度，加大回采巷道圍巖變形量以及修整難度，從而制約采面高效回采。對頂板進行弱化可實現(xiàn)開采后及時垮落，對降低采面礦壓顯現(xiàn)、提高巷道圍巖變形控制能力具有顯著的促進作用[3-6]。山西某礦11302 綜采工作面采用U 型通風方式，采面回采巷道與鄰近采空區(qū)間留設30 m 保護煤柱。受到頂板巖層堅硬影響，采面在回采過程中面臨回采巷道超前支護段變形嚴重，圍巖控制困難等問題。為確保本工作安全高效回采，需要頻繁的對巷道進行修整，耗費大量的人力、物力資源。為降低采面回采巷道圍巖變形量，提出采用水力壓裂技術弱化煤層頂板，從而降低采面回采過程中礦壓顯現(xiàn)。文中就對采面水力壓裂技術現(xiàn)場布置以及應用情況進行闡述，以期能為其他礦井類似情況下堅硬頂板處理提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

11302 綜采工作面為11 號煤層3 采區(qū)第二個回采工作面，采面西側(cè)為已經(jīng)回采完畢的11301 采空區(qū)，采空區(qū)與鄰近11302 回風巷間預留20 m 保護煤柱；11302 綜采工作面東側(cè)為實體煤，南側(cè)為DF12 斷層保護煤柱，北側(cè)為3 采區(qū)集中運輸、回風巷道。11302 綜采工作面開采的11 號煤層厚度平均4.1 m，傾角8°，埋深平均490 m，煤層基本頂板以堅硬的灰?guī)r、粗砂巖為主，直接頂為軟弱的泥巖，底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，具體頂?shù)装鍘r性見表1 所示。

表1 11 煤層頂?shù)装鍘r性

11302 綜采工作面回采巷道均為直墻半圓形，均沿11 號煤層掘進凈高×凈寬=4.1 m×5.4 m，凈斷面積接近20 m2，原設計采用錨網(wǎng)索+表層噴漿支護。

11302 綜采工作面采用U 型通風，主要綜采設備為MG 750/1920-WD 采煤機，ZY 10000/23/50D 型液壓支架、SGZ 1000/2×1000 刮板輸送機、SZZ 1200/700轉(zhuǎn)載機及PLM4000 破碎機。受到回采的11 號煤層頂板巖層堅硬，采空區(qū)上覆頂板難以及時、完全垮落等問題影響，采面回采巷道采動壓力顯現(xiàn)，回采巷道超前支護段圍巖變形嚴重，具體表現(xiàn)為底鼓、巷幫收斂，給采面安全高效回采帶來較大制約。為此，提出采用水力壓裂控頂技術對頂板堅硬巖層進行處理，通過弱化巖層實現(xiàn)即時垮落，而達到降低回采巷道超前支護段圍巖變形量目的。

2 頂板水力壓裂技術應用

2.1 水力壓裂鉆孔布置

由于開采的11 號煤層基本頂為堅硬的灰?guī)r、粗砂巖，巖層裂隙不發(fā)育，為確保采面回采后基本頂可及時垮落，決定在采面回采巷道內(nèi)布置4 排水力壓裂鉆孔進行頂板弱化。

在采面運輸巷、回風巷超前工作面30 m 以外區(qū)域內(nèi)（具體長度根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整），在巷道斷面的上下幫與頂板交匯處施工2 處鉆孔，作為第一組水壓預裂鉆孔；然后以背向工作面方向5 m 間隔一共施工5 組鉆孔；在巷道幫部和頂部施工的水力壓裂鉆孔孔深15 m、孔徑32 mm。具體水力壓裂鉆孔布置見圖1 所示。

圖1 水壓預裂鉆孔平面位置

2.2 水壓預裂工藝流程

11302 綜采工作面運輸巷與回風巷采用水壓預裂的方法進行頂板管理，具體工藝流程如下：

1）在采面運輸巷與回風巷利用錨桿鉆機打水壓預裂鉆孔。

2）在鉆孔注水壓裂前，先將麻布用14 號鐵絲纏繞，幫扎從5 m 長KJ10 的高壓膠管尾部0.5 m 處開始，麻布綁扎長度為3 m；將A 與B 兩類聚氨酯混合后，涂抹在麻布上，并迅速深入鉆孔內(nèi)，膠管尾部接截止閥和壓力表，管口外露鉆孔長度為0.5 m；待聚氨酯膨脹凝固24 h 后，并確保鉆孔封孔質(zhì)量。

3）在管口處用注水泵（3ZSB 80/62-90 高壓水泵）進行注水；在注水過程中，觀察壓力表讀數(shù)，當壓力表讀數(shù)達到峰值并持續(xù)一段時間后，壓力表讀數(shù)開始下降，這時該孔注水結(jié)束；進行下一個孔的封孔注水。水壓預裂頂板示意圖如圖2 所示。

圖2 水壓預裂頂板示意圖

3 頂板堅硬巖層弱化效果

以采空區(qū)冒落情況作為評價指標，對水力壓裂頂板弱化效果分析分析考察。11302 綜采工作面在機頭、機尾分別回采推進過水力壓裂區(qū)11 m、7 m 后，采面30 號—125 號支架頂板開始垮落；采面機頭、機尾分別推進20.6 m、12.9 m 后，采面中部以及巷道頂板均垮落。

綜采工作面在使用頂水力壓裂前采空區(qū)懸頂面積大，冒落不及時；在使用水力壓裂后采空區(qū)冒落密實。采面在水力壓裂弱化段頂板周期來壓步距穩(wěn)定在15 m，周期來壓步距較小，從而可有效降低采面采動壓力顯現(xiàn)。兩巷水壓致裂后的采空區(qū)頂板冒落情況良好，基本做到了隨采隨冒，采空區(qū)內(nèi)冒落頂板可有效充填回采空間。具體水力壓裂應用前后采面采空區(qū)頂板垮落對比情況見圖3 所示。

圖3 水力壓裂前后采空區(qū)冒落情況

4 結(jié)論

山西某礦11302 綜采工作面開采的11 號煤層基本頂為堅硬的灰?guī)r、粗砂巖，采面在回采過程中采空區(qū)內(nèi)頂板懸露面積過大，從而導致采面采動壓力顯現(xiàn)顯著，回采巷道超前支護段圍巖變形量較大，巷道需要頻繁進行修整。為此，提出采用水力壓裂技術對頂板進行弱化，從而達到降低回采巷道圍巖變形量目的。

在采面現(xiàn)場應用后，回采巷道周期來壓步距縮短至15 m，采空區(qū)內(nèi)頂板可及時垮落；在超前支護段配合使用工字鋼、單體支柱組成的邁步式抬棚即可實現(xiàn)回采巷道圍巖變形有效控制，期間巷道底板底鼓量變形控制在300 mm以內(nèi)，巷幫變形控制在180 mm以內(nèi)。

（編輯：苗運平）