綜采工作面末采期間堅硬頂板弱化技術研究

趙立志

（山西汾西中興煤業有限責任公司，山西 交城 030500）

引言

山西某礦區回采3#煤具有埋深淺、近水平以及地質構造簡單等優點。隨著綜采技術以及設備不斷發展，實現綜采設備高效回撤對提升煤炭生產效率具有顯著促進意義。近些年來，礦井不斷推廣應用多通道回撤工藝，綜采設備回撤耗時由以往30 d 以上縮短至10 d 以下。采用多通道回撤工藝時對采面末期頂板管理要求較高，需要避免在回撤期間出現頂板來壓、沿煤壁切頂或者支架壓架等事故[1-4]。對堅硬頂板弱化，降低末采期間礦壓顯現，可為綜采設備回撤創造良好條件，煤礦常用頂板弱化技術有水力壓裂、深孔預裂爆破等。由于3#煤層頂板為堅硬的石灰巖及砂巖，為降低末采期間礦壓顯現并為綜采設備回撤創造良好條件，提出采用水力壓裂技術對頂板進行弱化。

1 工程概況

山西某礦3#煤層3305 綜采工作面上覆為2#煤層2303、2305 綜采工作面采空區，3#煤層與上覆2#煤層層間距為30 m。3#煤層直接頂為砂巖（厚度2.1 m、層理發育），基本頂為細粒砂巖（致密堅硬、鈣質膠結），具體煤層頂板巖性參數見表1。

表1 3#煤層頂板巖性

3305 綜采工作面走向、傾向長分別為4 235 m、258.5 m，開采范圍內煤層厚度均值3.5 m、傾角4°。采面布置的主要綜采設備包括有JOY7LS6C 采煤機、ZY12000/20/40D 液壓支架、SGZ1000/3600 刮板輸送機等，采面正?；夭善陂g推進速度為6.0 m/d，采面正常回采期間礦壓顯現明顯，開采引起超前支承壓力影響范圍約為30～50 m。3305 綜采工作面采用多通道回撤工藝，為降低采面綜采設備回撤期間頂板礦壓顯現程度，礦方經過技術研討采用水力壓裂技術弱化頂板。

2 末采期間頂板弱化技術

2.1 水力壓裂鉆孔布置

針對3305 綜采工作面上覆堅硬、較厚細粒砂巖垮落時礦壓顯著問題，在采面末采期間采用高壓水力壓裂技術對該巖層進行弱化。根據采面開采范圍內頂板巖性、煤巖體特征等，在回撤通道內向頂板施工水力壓裂鉆孔，對頂板進行弱化。在3305 綜采工作面與主回撤通道前30 d，采用ZDY1200S 鉆機向采面方向施工水力壓裂鉆孔，鉆孔孔徑均為56 mm，孔深40 m時按照35°仰角布置、孔深36 m 時按照50°仰角布置，具體主回撤通道內頂板弱化鉆孔布置示意圖見下頁圖1。

圖1 主回撤通道內頂板弱化鉆孔布置示意圖

在回風巷距回撤通道55 m 處施工定向長鉆孔，具體見下頁圖2。水力壓裂方式為分段壓裂式（雙封單拖壓裂方式）。通過采用定向長鉆孔水力壓裂以及回撤通道水力壓裂，可實現回撤通道前方75 m 范圍內頂板弱化，達到降低采面末采期間周期來壓步距以及礦壓顯現強度目的。

圖2 回風巷定向水力壓裂長鉆孔布置示意圖

2.2 頂板弱化工藝

采用水力壓裂技術對3305 綜采工作面頂板弱化工藝流程見圖3。水力壓裂系統包括高壓水泵、壓力表、高壓軟管及封孔器等。頂板堅硬巖層弱化包括壓裂鉆孔封孔、高壓水力壓裂以及注水保壓等[5-7]。注水管連接處密封用“O”型圈，密封效果好且便于拆裝。水力壓裂時使用采用大功率防爆電機，油泵流量為80 L/min、供電電壓為660/1 100 V，額定工作壓力62 MPa。采用流量水壓監測儀對壓裂系統供液流量、壓力等實時監測，便于掌握高壓水力壓裂過程。

圖3 水力壓裂工藝示意圖

水力壓裂過程中水壓保持在20～55 MPa，平均壓裂水壓穩定在30～35 MPa，單個鉆孔壓裂4 次，單次壓裂用水量控制在1.0～2.5 m3。在水力壓裂初期，起縫后供水壓力即會降低，壓裂進入保壓階段。在此階段裂隙擴展并產生新的縫隙，采用專用設備實時獲取壓裂系統中水量、水壓及實時流量，便于提高采面頂底板弱化效果[8-9]。

3 水力壓裂弱化效果分析

具體末采期間及正?；夭善陂g采面推進過程中礦壓顯現統計結果見表2。正?；夭蓵r采面周期來壓步距、持續來壓長度分別為16.8 m、6.5 m，末采期間采面周期來壓步距及來壓持續長度分別降至11.5 m、4.0 m；來壓期間液壓支架動載系數由1.69 降至1.35，通過對末采范圍內堅硬頂板進行弱化，采面礦壓顯著程度明顯降低。

表2 采面末采期間及正常回采期間礦壓顯現監測結果

4 結論

1）3305 綜采工作面上覆存在有堅硬且厚度較大的細粒砂巖，為提高綜采設備回撤效率，采面采用多通道回撤工藝，若采面末采期間不對上覆堅硬巖層進行處理，則由于礦壓顯現顯著、超前支承壓力影響范圍廣，導致回撤通道圍巖變形量較大，給后續綜采工作面高效回撤工作開展帶來制約。

2）對3305 綜采工作面頂板覆巖情況、采面斜長以及水力壓裂工藝等進行分析，提出在回撤通道內以及采面回風巷內均布置水力壓裂鉆孔，對末采期間（距離回撤通道75 m 范圍內）對上覆堅硬頂板進行弱化；對弱化鉆孔布置及水力弱化工藝進行分析?，F場應用后，末采期間采面周期來壓步距、來壓強度分別降至11.5 m、1.35，礦壓顯現強度明顯降低，為回撤通道圍巖控制及末采期間采面頂板控制創造良好條件。