高瓦斯綜放工作面端頭懸頂靜態膨脹預裂技術

郭高峰 宋志強 趙寶友

（1.山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046000；2.遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

工作面端頭懸頂不僅會造成瓦斯在上隅角位置聚集，引起瓦斯超限，同時大面積懸頂的瞬時沖擊垮落還會帶來颶風、揚塵、反風甚至瓦斯及煤塵爆炸的重大安全事故。對于回采巷道沿底掘進的綜放工作面來說，端頭懸頂還將導致端頭頂煤的冒放性差，端頭頂煤采出率低，造成一定程度的煤炭資源浪費，同時還具有采空區遺煤自燃的潛在安全隱患。目前，主要采用爆破預裂和水力壓裂兩種技術進行端頭懸頂的處理[1-9]。原工程實踐和理論研究結果表明：水力壓裂切頂裂縫擴展嚴重依賴于頂板巖層的結構、強度、剛度及應力狀態等地質賦存特征，且壓裂工序相對復雜，同時要求相關技術人員具備豐富實踐經驗，導致其實際裂縫擴展與設計偏差較大，一般常用于大尺度覆巖壓裂防治沖擊地壓災害，對于超前工作面沿煤柱側預裂切頂來說不易獲得理想的效果。盡管化學炸藥爆破的預裂切頂技術可實現較精準的切頂效果，但由于爆炸沖擊波的高頻高強度沖擊動載特性，不利于巷道頂板穩定性的維護，加之化學炸藥爆破存在明火，使之應用解決高瓦斯煤層工作面端頭懸頂問題時存在安全隱患。靜態無聲膨脹致裂破碎技術具有膨脹性能高、無噪音、無污染等優點，目前采礦、土木等多個工程領域已經開始逐步利用靜態破碎技術代替炸藥爆破，少數礦井已開始嘗試采用靜態膨脹破碎技術代替炸藥爆破進行端頭懸頂的處理[10-11]。

1 工程概況

山西三元煤業股份有限公司核定生產能力260萬t/a，采用走向長壁綜合機械化綜采低位放頂煤采煤法。現開采的3 號煤層位于山西組下部，煤層埋深380～401 m，平均煤厚7.2～7.7 m，普遍含0～2 層碳質泥巖夾矸，屬全區可采穩定煤層。煤層直接頂為厚約8 m 的砂質泥巖與粉砂巖互層結構，基本頂為厚約4 m 的中粒砂巖。工作面斜長一般為240 m，采用一進一回U 型通風方式。回采巷道斷面為矩形，毛寬5.2 m，毛高3.2～3.5 m，均沿煤層底板掘進，留有厚約3.7～4.2 m 的頂煤。工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為20.19 m3/min，相對瓦斯涌出量為4.72 m3/t，為典型的高瓦斯煤層，且煤塵具有爆炸性。

原生產實踐表明，受煤柱側實體煤的支撐與約束作用，綜放工作面兩端頭均存在端頭懸頂現象，尤其是工作面回采初期和首采工作面。工作面推進30 m 后端頭頂板才開始垮落，工作面正常回采期間端頭滯后采空區懸頂5～10 m，使得兩端頭頂煤回收率低，同時還造成上隅角瓦斯濃度有時超過0.8%的安全警戒限值，嚴重影響著工作面的安全回采。三元煤業以往主要采用超前工作面煤柱側水力壓裂技術進行端頭懸頂的壓裂切頂，但水力壓裂裂縫可靠性差，端頭懸頂壓裂切頂效果并不理想。鑒于三元煤業3 號煤層屬于典型的高瓦斯煤層，為此，擬嘗試采用靜態膨脹預裂技術處理端頭懸頂問題。

2 綜放面端頭懸頂靜態膨脹預裂切頂方案設計

2.1 理論分析

如圖1 所示鉆孔打設后煤巖體周圍任意一點的應力狀態為[12]：

圖1 煤巖體靜態膨脹致裂斷裂力學模型

式中：σrr、σθθ、σrθ分別為以鉆孔中心為極點的極坐標系下壓裂前煤巖體任一點處的應力分量，MPa；K=σh/σH為水平地應力分量比值；σh和σH分別為最小和最大水平地應力分量，MPa；rb和r分別為鉆孔半徑和煤巖體任一點的極徑，m；θ為極坐標與水平方向的夾角，（°）。

膨脹劑水化反應體積膨脹后產生的膨脹壓力將作用在鉆孔表面。由于煤巖體為典型的脆性材料，當膨脹壓力在鉆孔周圍煤巖體內產生的應力與地應力疊加后超過煤巖體的抗拉強度時，煤巖體將產生垂直最小地應力方向的一對I 型徑向對稱裂縫。根據疊加原理可以將裂縫端部的應力強度因子表達為最小地應力σh和膨脹壓力Pi所引起的應力強度因子的疊加[13]。

式中：KI為I 型裂縫的應力強度因子，MPa·m0.5；Pi為膨脹劑水化反應產生的膨脹壓力，MPa。

當裂縫端部的應力強度因子KI小于煤巖體的斷裂韌度KIC時裂縫停止擴展，則膨脹致裂的止裂條件為：

已知膨脹劑水化后的最大膨脹壓力可達80～100 MPa，三元煤業3 號煤層σh=σθθ=4.5 MPa、σt=1.5 MPa、rb=0.037 5 m、KIC=7.22 MPa·m0.5等參數，據此可計算得到靜態膨脹致裂煤巖體的裂縫擴展半徑r=0.21～0.32 m。

2.2 方案設計

結合綜放工作面實際條件，靜態膨脹預裂切頂需在兩順槽動壓區前方進行施工，再考慮到順槽頂板穩定維護的要求，合理的預裂孔間距應保證靜態膨脹劑預裂后相鄰鉆孔的裂縫不能在超前工作面的動壓區內連通，后續在采動應力的作用下剛好在端頭位置連通，進而使得弧三角形端頭懸頂緊隨工作面推進而垮落充填采空區。

為此，綜合上述理論分析結果和三元煤業綜放工作面實際條件及類似工程經驗，設計在兩順槽緊鄰煤柱幫0.4～0.6 m 垂直頂板打設一列預裂鉆孔，孔徑75 mm，孔距1.0 m，孔深16 m，預裂高度內包括頂煤、直接頂巖層和基本頂巖層。三元煤業3號煤層綜放工作面端頭懸頂靜態膨脹預裂切頂的預裂孔參數設計如圖2。

圖2 靜態膨脹預裂切頂的預裂孔參數設計圖（m）

3 綜放面端頭懸頂靜態膨脹預裂切頂效果分析

3.1 數值模擬分析

依據上述爆破孔設計方案，采用FLAC3D數值模擬軟件，建立三元煤業超前綜放工作面回采巷道頂板巖層的靜態膨脹預裂切頂數值模型。模型中沿巷道走向距煤柱幫0.5 m 垂直頂板打設3 個預裂孔（沿X 軸正向依次為1#、2#和3#預裂孔）；模型四周及頂底面采用法向位移約束，沿預裂孔軸向施加10 MPa 的豎向自重應力，水平兩向施加4.5 MPa和6 MPa 的水平地應力，預裂孔表面施加100 MPa的膨脹壓力；采用interface 界面單元模擬垂直最小地應力方向的裂縫面，煤巖層均采用彈性本構模型。煤巖層及裂縫面的基本物理力學參數見表1。

表1 煤巖體基本物理力學參數表

圖3（a）給出的裂縫面接觸狀態分布圖直觀地表明，膨脹劑水化體積膨脹產生的膨脹壓力作用下，每個預裂孔兩側均產生兩條對稱的壓裂裂縫面，處于張拉狀態的裂縫面擴展半徑約0.38 m。圖3（b）給出的裂縫面張開度云圖表明，靜態膨脹壓力作用下，每個預裂孔兩側的裂縫張開度也呈現對稱分布，最大張開度為0.42 mm，位于鉆孔表面的裂縫面起始位置，裂縫面張開度隨裂縫擴展而降低，當裂縫面擴展半徑達到0.37 m 時裂縫張開度為0，即裂縫不再繼續擴展。靜態膨脹壓力作用下裂縫面法向的接觸應力同樣呈現以鉆孔為對稱軸的對稱特征，見圖3（c）所示，沿鉆孔徑向0.36 m 范圍內的裂縫面法向壓應力均為0，即該范圍的裂縫面處于張開狀態。

圖3 靜態膨脹預裂數值模擬結果

圖4 給出的裂縫面張開度變化曲線定量地表明，1#預裂孔至3#預裂孔孔口連線方向上，裂縫面張開度曲線呈W 形式，裂縫面張開度在預裂孔表面位置處最大，隨距預裂孔距離的增大而線性減小，兩預裂孔之間約0.24 m 范圍內張開度為0，即靜態膨脹預裂下裂縫面擴展半徑為0.38 m。圖5 給出的中間2#孔兩側0.5 m 范圍內裂縫面法向壓應力曲線進一步表明，預裂孔兩側約0.37 m 范圍內的裂縫面法向壓應力為0，即處于張開狀態，其外約0.13 m 范圍的裂縫面處于受壓閉合狀態。

圖4 裂縫張開度隨其水平坐標變化曲線

圖5 裂縫面法向應力隨其水平坐標變化曲線

綜上超前綜放工作面沿回采巷道煤柱側的靜態膨脹預裂切頂數值模擬結果可知，實施靜態膨脹預裂頂煤及頂板后，在膨脹劑水化體積膨脹產生的膨脹壓力作用下，回采巷道預裂孔高度范圍內單孔靜態膨脹預裂裂縫擴展半徑為0.36～0.38 m，與理論計算得到的單孔預裂影響范圍基本一致，工作面頂板在距煤柱巷幫0.5 m 沿巷道走向形成一條高16 m 的非連續切頂面，孔間裂縫連通率約75%，從理論上驗證了超前工作面靜態膨脹預裂切頂處理端頭弧三角懸頂設計方案的有效性和可行性。

3.2 現場應用

以三元煤業四采區4306 工作面為例，從現場應用角度分析端頭懸頂靜態膨脹預裂切頂效果。4306 綜放工作面端頭懸頂靜態膨脹預裂切頂設計方案見上述2.2 部分。檢修班期間在超前工作面50 m之外按設計方案打設預裂孔，然后采用膨脹橡膠封口器自孔口開始封孔，封孔長度0.3～0.5 m，通過與封口器尾部連接的高壓注漿管向預裂孔內注入攪拌好的膨脹劑漿液。

三元煤業回采巷道礦壓監測結果表明（圖6），回采巷道煤柱側未實施靜態膨脹預裂切頂時，超前綜放工作面巷道頂板下沉量均不顯著，同一斷面位置煤柱側與回采側巷道頂板下沉量相當且小于跨中頂板下沉量。頂板下沉變形沿巷道跨度方向呈現常規的下凸形式，即使當監測點已接近工作面時，煤柱側、跨中的巷道頂板下沉量僅為38 mm 和96 mm，兩回采巷道均存在不同程度的滯后采空區懸頂現象，不僅使得兩端頭過渡支架上方頂煤不易破碎，端頭頂煤回收率低，而且還存在上隅角瓦斯聚集、瓦斯濃度超限及采空區漏風和遺煤自燃等重大安全隱患，嚴重影響著工作面的正常生產。三元煤業回采巷道實施超前工作面靜態膨脹預裂切頂技術后，超前工作面30 m 動壓區范圍內回采巷道煤柱側頂板下沉量增加明顯，相同超前距離下回采巷道跨中頂板的下沉量略大于煤柱側頂板，但均大于回采側頂板的下沉量。當監測點已接近工作面時，回采巷道煤柱側和跨中的頂板下沉量增至128 mm 和153 mm，與未采取靜態膨脹預裂切頂措施相比，煤柱側和跨中的頂板下沉量分別增加237%和59%。

圖6 回采巷道頂板沉降變形監測曲線

三元煤業超前綜放面回采巷道煤柱側膨脹預裂切頂現場應用表明，在煤柱側頂板實施靜態膨脹預裂后，回采巷道兩端頭頂板緊隨綜放工作面的推進而垮落充填采空區，有效解決了上隅角懸頂造成的瓦斯集聚及瓦斯超限問題，改善了端頭頂煤的冒放性，端頭頂煤采出率由50%～70%增至90%，同時杜絕了端頭懸頂帶來的諸多重大安全隱患，促進了工作面的安全高效生產。

4 結論

采用理論分析、數值模擬和現場實踐相綜合的研究方法，以山西三元煤業為工程背景，開展了綜放工作面端頭懸頂靜態膨脹預裂切頂技術研究，所得結論如下：

1）基于理論分析計算得到頂板巖層靜態膨脹預裂影響半徑，設計了綜放工作面端頭懸頂靜態膨脹預裂切頂方案及參數。

2）通過超前工作面回采巷道頂板巖層靜態膨脹預裂的數值模擬結果分析，驗證了綜放工作面端頭懸頂靜態膨脹預裂切頂設計方案及參數的合理性。

3）通過超前工作面回采巷道煤柱側頂板靜態膨脹預裂切頂的工程實踐，有效解決了高瓦斯綜放工作面端頭懸頂問題，消除了端頭懸頂帶來的諸多安全隱患，同時提高了端頭頂煤的采出率，促進了三元煤業綜放工作面安全高效開采。