綜采工作面端頭大面積懸頂致裂技術(shù)研究

李實

（山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 032000）

0 引 言

綜采工作面切巷與進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷連接的區(qū)域，通常將端頭處懸頂面積超過10 m2稱為大面積懸頂[1]。懸頂?shù)男纬膳c工作面煤層頂板的巖性、抗拉/抗壓強(qiáng)度、厚度、節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及工作面進(jìn)風(fēng)巷/回風(fēng)巷支護(hù)方式、強(qiáng)度緊密相關(guān)。受二者影響，工作面在回采時，頂板來壓緩慢，難以及時垮落，繼而形成大面積懸頂，嚴(yán)重威脅工作面及礦井的安全生產(chǎn)[2]。隨工作面的不斷回采，懸頂距離不斷增加，工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯及有害氣體積聚，此時極易發(fā)生大面積頂板來壓并且形成垮落，將有害氣體以瞬間沖擊波形式壓入工作面，威脅工作面設(shè)備及人員的安全[3]。因此，亟需解決綜采工作面頂板大面積來壓垮落威脅安全生產(chǎn)的問題。

國內(nèi)針對綜采工作面堅硬頂板大面積來壓垮落問題的研究核心為頂板致裂技術(shù)，目前成熟的技術(shù)主要有CO2致裂、水力壓裂及預(yù)裂爆破[4]。CO2致裂技術(shù)利用CO2由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，產(chǎn)生體積膨脹的原理使頂板開裂，即首先向頂板裝入儲液管，然后使用高壓泵向其注入液態(tài)CO2，之后接通儲液管電流裝置，將液態(tài)CO2轉(zhuǎn)化為氣態(tài)CO2，最后利用CO2體積膨脹壓裂巖石，該技術(shù)僅適用于較完整的頂板，應(yīng)用范圍相對較小；水力壓裂技術(shù)為向鉆孔內(nèi)注入高壓水分段壓裂頂板巖石并破壞其完整性，應(yīng)用廣泛，但存在用水量較大、排水困難、破巖效率一般、人為管控壓裂效果較差等問題；預(yù)裂爆破技術(shù)為通過在工作面順槽預(yù)先對頂板進(jìn)行深孔爆破形成裂縫，隨工作面回采頂板自行垮落，是目前應(yīng)用范圍最廣、效果最好的頂板致裂技術(shù)，但成本較高，安全風(fēng)險較大。針對以上問題，白洞煤礦研究使用靜態(tài)膨脹劑致裂頂板的技術(shù)，該技術(shù)具有成本低、效果好、應(yīng)用范圍廣及安全風(fēng)險小等優(yōu)點，達(dá)到預(yù)期的目的。

1 概 況

白洞煤礦主采石炭系5號煤層，煤層厚度3.22～14.34 m，平均煤厚9.55 m。煤層中夾矸較發(fā)育，平均含4層夾矸，總厚度約2 m，巖性多為炭質(zhì)泥巖。煤層直接頂為泥巖，以黑色碳質(zhì)泥巖為主，屬于薄層狀軟巖層，普氏硬度系數(shù)4～5；老頂為砂礫巖，以中粒砂巖為主，屬于厚層狀中硬—堅硬巖，普氏硬度系數(shù)7～9。

此次施工地點選擇8119綜采工作面，該工作面位于301采區(qū)南部右翼，北臨已回采結(jié)束的8105、8107綜采工作面，東臨礦井工業(yè)廣場保護(hù)煤柱。工作面埋深326～548 m，剩余回采長度175 m，因回采前方125 m處附近發(fā)育有F1斷層，為去除斷層對頂板垮落的影響，選擇工作面回采前方25～125 m作為試驗地點，如圖1所示。工作面順槽設(shè)計長度1 730 m，切巷長度125 m，采用走向長臂后退式采煤工藝。工作面煤厚3.65～13 m，平均煤厚7.95 m，采高3 m，平均放煤厚度4.95 m，可采系數(shù)為1。直接頂泥巖厚度4.13～5.73 m，平均厚度4.63 m，局部直接頂為炭質(zhì)泥巖，厚度0.2～0.4 m，平均厚度0.3 m；老頂砂礫巖厚度13.11～14.45 m，平均厚度13.78 m，工作面煤層頂?shù)装逯鶢顖D如圖2所示。

圖1 8119工作面及試驗地點位置示意Fig.1 Location of test site and No.8119 Face

圖2 工作面煤層頂?shù)装逯鶢顖DFig.2 Coal seam roof and floor histogram of working face

2 靜態(tài)膨脹劑作用機(jī)理

靜態(tài)膨脹劑作用機(jī)理為利用其主要成分CaO與H2O發(fā)生水合反應(yīng)，生成Ca(OH)2。反應(yīng)后的Ca(OH)2固相體積較反應(yīng)前的CaO增大近一倍。隨反應(yīng)后Ca(OH)2固相體積的增大，其內(nèi)部分子之間空隙體積也隨之增大，二者體積增量之和大于其所處固定空間時，則對周邊產(chǎn)生膨脹壓力。

按一定配比將靜態(tài)膨脹劑與水?dāng)嚢杈鶆?，之后通過高壓泵注入鉆孔內(nèi)，生成的Ca(OH)2初呈凝膠狀，等待一定時間后，呈晶體顆粒狀，顯現(xiàn)不定型、各向異性，體積較反應(yīng)前增大一倍；體積增大過程中產(chǎn)生的膨脹壓力可達(dá)25～45 MPa；孔壁受膨脹壓力作用后，受徑向壓應(yīng)力及切向拉應(yīng)力同時作用，最終致使巖石破裂?？捉橘|(zhì)單元體受力分析如圖3所示。A點同時受徑向壓應(yīng)力σγ及切向拉應(yīng)力σθ作用，σθ與σγ呈正比關(guān)系，當(dāng)增大至巖體最大破碎強(qiáng)度時，則A點處開始產(chǎn)生徑向裂縫；徑向裂縫隨σθ的增大不斷擴(kuò)大，直至巖體徹底破碎。

圖3 孔介質(zhì)單元體受力狀態(tài)示意Fig.3 Stress state of hole medium unit

3 施工方案

3.1 鉆孔布置

結(jié)合工作面進(jìn)回風(fēng)巷錨桿（索）布置、臨近保護(hù)煤柱、頂板巖性及鉆孔施工難易程度等，通過進(jìn)行理論分析及模擬試驗，確定鉆孔設(shè)計參數(shù)如圖4、圖5所示。鉆孔間排距為800 mm×1 800 mm，每排布置5個鉆孔，因巷道一幫臨時保護(hù)煤柱，為優(yōu)化頂板致裂效果，在原每排鉆孔的基礎(chǔ)上，臨近保護(hù)煤柱側(cè)頂板每2排增加1個鉆孔，即巷頂沿煤柱側(cè)形成一列間距900 mm的鉆孔，則頂板鉆孔整體呈“T”形布置。鉆孔直徑65 mm，孔深10 m，水平夾角60°，豎直夾角25°，向采空區(qū)一側(cè)傾斜。

圖4 鉆孔布置俯視Fig.4 Borehole layout overlooking

圖5 鉆孔布置側(cè)視Fig.5 Borehole layout side view

3.2 注漿工藝

3.2.1 工藝流程

工藝流程分3步進(jìn)行，第一步為準(zhǔn)備工作，進(jìn)行鉆孔參數(shù)設(shè)計，依據(jù)設(shè)計準(zhǔn)備相關(guān)設(shè)備、工具及材料，另外進(jìn)行打孔前的頂板臨時支護(hù)工作；第二步為施工階段，主要為打孔及注漿；第三步為效果觀察，工藝流程如圖6所示。

圖6 工藝流程Fig.6 Process flow

3.2.2 鉆孔注漿工藝

（1）設(shè)備選擇。

注漿泵采用煤礦用氣動注漿泵，常用設(shè)備型號如ZBQ-25/2.5、ZBQ-15/1.5、ZBQ-40/2.5等，配套氣動攪拌器及攪拌桶。

（2）設(shè)備連接。

注漿鉆孔施工完畢后，依次埋入1根7 m長注漿管至鉆孔見巖處，1根11 m長返漿管至孔底，之后對頂煤段進(jìn)行封孔，封孔長度6 m。將注漿管與注漿泵出漿管連接，注漿時，通過返漿管判斷漿液是否注滿。鉆孔注漿如圖7所示。

圖7 鉆孔注漿示意Fig.7 Drilling grouting indication

（3）注漿步驟。

制漿：制作漿液靜態(tài)膨脹劑與水最優(yōu)重量比為10∶3，首先將定量的水倒入攪拌桶中，之后按配比倒入靜態(tài)膨脹劑，最后使用風(fēng)動攪拌器或人工戴橡膠手套均勻攪拌10 min，漿液完全溶解即可。在攪拌桶內(nèi)設(shè)置過濾網(wǎng)，防止雜物進(jìn)入入漿管內(nèi)。

注漿：注漿開始后終壓控制在2～3 MPa，在10 min內(nèi)向鉆孔注入剛制作的漿液鉆孔，保證漿液的流動性及破碎效果，嚴(yán)禁超時。

封管：注漿過程中時刻觀察，若返漿管有漿液流出時，停止注漿，使用封孔膠封閉返漿管。

停機(jī)沖洗：注漿結(jié)束后在攪拌筒中加入一定量清水沖洗注漿泵及管路，將清洗出的廢液排入采空區(qū)。

4 效果分析

（1）在8119工作面頂板注入靜態(tài)膨脹劑漿液，通過現(xiàn)場觀測，等待數(shù)小時后，在膨脹壓力的作用下，頂板鉆孔內(nèi)出現(xiàn)裂隙聲。隨工作面回采，巷道頂煤出現(xiàn)冒落，且冒落范圍逐漸擴(kuò)大，自由面不斷增加，頂板泥巖及砂礫巖發(fā)生坍塌。工作面推進(jìn)2.4 m后，施工鉆孔注漿區(qū)域頂板接近完全垮落。

（2）通過對比應(yīng)用靜態(tài)膨脹劑前后頂板狀況發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用后懸頂距離約2.4 m，懸頂面積顯著減小，且不大于10 m2，解決了大面積頂板垮落及有害氣體積聚的難題，達(dá)到預(yù)期目的。

5 結(jié) 論

（1）為解決8119綜采工作面堅硬頂板出現(xiàn)大面積懸頂?shù)膯栴}，結(jié)合工作面現(xiàn)場實際條件，分析懸頂形成原因及靜態(tài)膨脹劑作用機(jī)理，制定了科學(xué)合理的鉆孔設(shè)計及注漿工藝流程標(biāo)準(zhǔn)，成功應(yīng)用了使用靜態(tài)膨脹劑致裂頂板技術(shù)，極大減小懸頂面積和懸頂距離，解決了有害氣體積聚的問題。

（2）該技術(shù)具有現(xiàn)場施工簡單、無污染、安全系數(shù)高及經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點，進(jìn)一步完善了綜采工作面大面積懸頂致裂技術(shù)。提高了工作面生產(chǎn)效率，保證了礦井安全生產(chǎn)，為煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效打下堅實的基礎(chǔ)，對于類似條件下煤礦的安全開采具有借鑒意義。