巷道堅硬頂板高壓水力切頂卸壓技術研究

杜云杰

（山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046600）

1 工程概況

山西凌志達煤業15501 工作面區域內，煤層產狀平緩，煤層最大傾角11°～14°。該工作面所采煤層為石炭系上統太原組15 號煤層，屬穩定可采近水平中厚煤層，結構較復雜（含2～3 層夾矸，夾矸一般為0.2 m，最厚可達0.3 m）。煤層頂底板綜合柱狀圖如圖1。

圖1 15501 工作面煤層頂底板綜合柱狀

工作面基本頂為灰巖，方解石脈發育，巖石質地堅硬，屬于典型的難垮落堅硬頂板。15501 綜采工作面上覆巖層質地堅硬，承受擾動應力較小時無法自然斷裂。頂板大范圍垮落不及時，將會形成較長的懸臂梁或形成兩側固支梁，對煤柱、巷旁充填體產生附加支承壓力，并在工作面前方產生極大的超前支承壓力，以此促使巷道圍巖發生大變形，致使煤壁出現冒頂、片幫事故。由此，采區巷道與采煤工作面的維護難度增加，不利于礦井安全生產工作的運營[1-3]。

為避免堅硬頂板大面積懸頂產生的靜壓以及頂板突然性垮落產生的動壓導致煤柱、巷道與采煤工作面出現強烈的礦山壓力顯現問題，將采用高壓水力切頂技術對15501 工作面的堅硬頂板進行切頂卸壓處理。

2 高壓水力切頂卸壓技術

水力切頂的技術理論與傳統的炸藥切頂技術理論相似，通過水力壓裂的方式代替炸藥的爆破作用，以此對煤層頂板進行定位、定向的裂縫切割，使頂板切落垮塌。利用水力切落堅硬頂板的優勢在于，水可作為堅硬頂板的軟化劑，弱化頂板巖石的物理力學性質，有利于頂板的順利垮落，同時作業方式較為安全，施工造成的礦山壓力顯現程度也相對較低。

定向高壓水力壓裂切割順槽頂板卸壓護巷技術的關鍵在于，理論計算水力鉆孔的切頂高度與切頂角度，使頂板可以順利垮落并且足以支撐上覆巖層[4]。

2.1 定向切頂高度理論分析

回采工作面在推進的過程中，直接頂隨采隨落，冒落到采空區底板上，然而在煤柱朝向采空區一側的堅硬頂板難以垮落時，會對采區的巷道產生極大的側向支承壓力。尤其是當上覆巖層為組合巖梁結構時，多重疊加的載荷與力矩施加在巷道圍巖上，又會致使巷道圍巖的側向支承壓力急劇增加。根據巖石碎脹性，通過計算基本頂垮落對采空區的充填高度，對基本頂的切頂高度進行分析，使切頂垮落的基本頂可以充滿采空區，對上覆巖層起到良好的支撐作用。

以巷道頂板的組合梁理論作為研究出發點，計算切頂高度。假定堅硬頂板的上覆巖層發育高度內共有m層巖層（如圖2），以高度層位為界限劃定巖層的編號為1，2，···，m。水力切頂技術的切頂高度應符合以下關系：

圖2 切頂高度示意圖

可得，切頂高度Lq：

式中：L1，L2，···，Lm為單層巖梁厚度，m；M為煤層厚度，m；K1，K2，···，Km為單層巖梁的碎脹系數；Kp為組合巖梁的平均碎脹系數，取1.3；Lq為切頂高度，m。

考慮到已經存在的巷道頂板下沉量與底板底鼓量，依據切頂高度計算式，水力壓裂的臨界切頂高度設計公式為：

式中：Lw為水力壓裂的臨界切頂高度，m；ΔL為頂板下沉量，m；ΔD為底板底鼓量，m。根據15501 工作面頂底板巖性特征情況，計算得水力壓裂的臨界切頂高度為12.5 m。為使水力壓裂的裂紋充分擴展，水力切頂鉆孔的深度設計為24～28 m。

2.2 定向切頂角度理論分析

水力壓裂的切頂角度將會影響頂板的動態垮落過程，并最終影響垮落的形態。根據“砌體梁”關鍵塊理論，水力壓裂鉆孔會使巷道的頂板與采空區的垂直方向產生預裂面，預裂面與垂直方向的夾角即為切頂角度，合理的選擇切頂角度將有利于頂板巖梁順利垮落，最大限度地減少垮落過程中的動載對巷道圍巖的影響。當垮落不充分時，采空區側的破斷關鍵塊巖梁會通過鉸接點向接觸的鄰近巷道頂板施加壓力。由此，頂板無法充分卸壓，進而加劇圍巖的破壞程度。

根據“砌體梁”模型的S-R 失穩原理，巷道上覆巖層頂板斷裂后會形成關鍵塊A 與關鍵塊B，兩者以摩擦作用形成相對穩定的鉸接結構。鉸接點受到左右兩側的水平推力T，以及巖塊自身重力產生的剪切力R。當考慮基本頂巖梁的斷裂面與垂直面角度為θ時，關鍵塊鉸接點的受力關系如圖3 所示，此時巖塊發生滑落失穩的條件為：

圖3 切頂卸壓關鍵塊的受力分析

式中：T為巖塊所受的水平推力，kN；R為巖塊所受的剪切力，kN；q為基本頂的載荷集度，kN/m；L為基本頂巖塊的長度，m；h為基本頂的厚度，m；ΔS為巖塊B 的下沉量，m；φ為巖塊間的摩擦角，（°）；θ為切頂角度，（°）。

根據公式的推算可知，關鍵塊結構的穩定性與巖塊的厚度、長度、水力壓裂的切頂角度、巖石自身的摩擦角有關。當水力壓裂的切頂角度與巖石自身的摩擦角相等時，關鍵塊結構發生滑落失穩將不受水平推力T的影響，此角度為水力壓裂切頂的臨界角度。當切頂角度增大時，更加有利于頂板的垮落，但是會增加切頂后巷道剩余頂板的懸臂長度，不利于巷道的有效卸壓。當切頂角度較小時，容易致使頂板難以垮落，導致水力切頂技術的失效。因此，考慮到切頂技術的可實施性，近似取基本頂巖石摩擦角的極大值作為水力壓裂的切頂角度。

3 現場試驗

3.1 現場施工方案

根據前文計算的切頂高度與切頂角度參數，考慮到頂板巖性的非均質特點，為提高現場實施切頂技術的成功率，共設計3 類角度不同的水力切頂鉆孔，結合15501 工作面的工程現狀，確定現場施工方案：

1）鉆孔參數。鉆孔1 的鉆進、鉆孔2 的鉆進和壓裂作業順次進行，兩類鉆孔位于工作面煤體上方，鉆孔開口于頂板靠近工作面煤壁側，方向垂直于巷道走向，鉆孔開口離開煤壁和頂板交角50 cm以內。壓裂鉆孔1 的傾角為45°，鉆孔長度為40 m，眼底垂直高度為28.28 m；壓裂鉆孔2 的傾角為30°，鉆孔長度為50 m，眼底垂直高度為25 m。鉆孔1 和鉆孔2 交替打孔，孔間距為10 m。壓裂鉆孔3 開口靠近頂板煤柱一側，傾角為45°，傾向采空區后方，向煤柱側偏轉5°，鉆孔長度40 m，眼底垂直高度28.28 m，鉆孔間距為10 m，鉆孔開口離開煤柱和頂板交角50 cm 以內。

2）鉆孔孔徑65 mm。鉆孔壓裂參數：單個鉆孔封孔長度7～8 m。后退式壓裂，每壓裂段長度3 m，鉆孔1 每孔壓裂14 次，鉆孔2 每孔壓裂14 次，鉆孔3 每孔壓裂14 次。

3）壓裂期間孔內水壓15～50 MPa。

4）水力壓裂施工采用柱塞式注水泵，泵壓最高可達到50 MPa，滿足壓裂所需水壓。

5）水力壓裂在采煤工作面前方100 m 外進行。

3.2 施工效果監測與驗證

為驗證水力切頂技術對頂板的卸壓作用，選取工作面與回采巷道銜接處的液壓支架，通過安裝自動化應力數據監測儀，監測實施水力壓裂切頂技術前后巷道頂板的應力演化數據。通過分析支架工作阻力的變化狀態，可獲知切頂技術對于巷道頂板的卸壓程度。

選取具有代表性的兩臺端頭液壓支架，編號分別為1 號和2 號，共截取11 d 的監測數據，繪制頂板應力演化趨勢圖如圖4。

圖4 端頭支架應力監測演化圖

根據端頭液壓支架監測的頂板礦壓應力演化趨勢可知，在實施水力壓裂切頂技術之前，頂板的支承壓力普遍波動于16～10 MPa 之間，在周期來壓時支承壓力最高可達18 MPa。在第3～4 天實施水力壓裂切頂，巷道上方堅硬頂板發生動態破斷，由原本的靜態壓力轉化為動態壓力，致使支架的工作阻力大幅上升，最高可達20 MPa。在實施水力切頂之后，支架監測的應力逐漸下降，并且波動幅度趨于平緩，表明水力壓裂切落的頂板已進入垮落后的穩定階段，除第9 天在2 號支架出現數據異常的波動外，大部分頂板應力監測數據都在12～8 MPa 范圍內浮動。監測數據驗證了高壓水力切頂技術有效地削弱了頂板的應力集中程度，降低了端頭液壓支架的工作阻力，有利于巷道圍巖的日常維護。

4 結語

通過分析15501 工作面煤層頂底板的巖性，選用高壓水力壓裂技術對回采巷道朝向采空區的堅硬頂板進行切頂處理，以此降低巷道頂板的應力集中程度。根據組合梁理論計算水力壓裂技術的切頂高度為24～28 m，利用“砌體梁”關鍵塊理論推導出合理的切頂角度應與頂板巖石的摩擦角近似相等，以此確定高壓水力壓裂切頂技術的施工參數，并設計現場施工方案。運用端頭液壓支架的頂板應力監測數據的演化趨勢進行結果驗證。實施切頂技術后，頂板的應力波動程度由16～10 MPa 降低為12～8 MPa，表明高壓水力切頂技術達到了預期效果。