綜采工作面三角區(qū)懸頂?shù)目仨敿夹g(shù)

杜 茂

（神華神東煤炭集團(tuán) 柳塔煤礦連采二隊(duì)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

1 研究背景

綜采工作面回采過程中兩順槽三角區(qū)容易產(chǎn)生大面積懸頂，其原因是巷道掘進(jìn)時(shí)采用了錨桿、錨索、金屬網(wǎng)等聯(lián)合支護(hù)，致使頂板不易垮落；頂板巖石的巖性強(qiáng)弱也有一定的影響。因此導(dǎo)致懸頂?shù)木嚯x能夠達(dá)到15～20 m，造成較大安全隱患。如果三角區(qū)懸頂突然垮落產(chǎn)生颶風(fēng)，就容易壓出有毒有害氣體造成危害。神東礦區(qū)寸草塔二礦、上灣礦、布爾臺(tái)礦井，多次出現(xiàn)懸頂突落，造成上隅角瓦斯、一氧化碳等有害氣體瞬時(shí)濃度超限，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。

2 水力致裂技術(shù)措施的應(yīng)用

2.1 注水設(shè)備及實(shí)施步驟

1）注水設(shè)備。加壓泵站1臺(tái)（天津市精誠高壓泵制造公司生產(chǎn)，電機(jī)型號(hào)YBK2-4-160B3；泵站型號(hào)3ZSB-158/18），1.5 m3水箱 1 個(gè)，70 m2電纜若干，接1 140 V電源，啟動(dòng)器1臺(tái)，60 MPaDN19高壓膠管200 m或按實(shí)際增減)，封口器及連接管若干，10號(hào)鉛絲若干，鉗子、活口扳手各一個(gè)。再者，提前在頂板指定位置，打φ32 mm鉆孔若干。

2）實(shí)施步驟。①在施工鉆孔或注水作業(yè)前，要對(duì)作業(yè)地點(diǎn)前后10m范圍內(nèi)頂幫狀況進(jìn)行檢查，并嚴(yán)格執(zhí)行敲幫問頂制度，防治片幫傷人。②在靠近皮帶作業(yè)時(shí)，必須停止皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)，閉鎖并上鎖。③注水工作安排在早班設(shè)備檢修期間進(jìn)行。④注水作業(yè)必須在超前支護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行，并保證注水區(qū)域支護(hù)可靠。⑤每日注水前必須對(duì)高壓液管進(jìn)行全長檢查，確保管路完好。⑥封口器送到位后，必須將安裝桿與頂網(wǎng)固定牢靠。⑦注水時(shí)，注水孔前后20m范圍內(nèi)不得有人員停留，并安排專人設(shè)置警戒，嚴(yán)禁任何人通過注水區(qū)域。⑧注水時(shí)，泵站控制人員與注水觀察人員要保持通信暢通，保證可以隨時(shí)停泵。⑨注水時(shí)需人員5人。電工1人，負(fù)責(zé)送電；泵站司機(jī)1人，負(fù)責(zé)開泵，并記錄壓力、注水時(shí)間等數(shù)據(jù)；安裝封口器，拖曳高壓膠管2人，注水時(shí)負(fù)責(zé)順槽兩側(cè)警戒；現(xiàn)場觀察1人，負(fù)責(zé)觀察記錄注水效果。⑩注水過程中，發(fā)現(xiàn)頂板有斷裂下沉現(xiàn)象時(shí)立即停止注水，并采取措施防止頂板事故發(fā)生。11○合理控制注水壓力，一般不高于45MPa。12○每班安排專人對(duì)實(shí)施水力致裂區(qū)域頂板進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)頂板破碎、下沉量增大有冒落危險(xiǎn)時(shí)，立即匯報(bào)跟班領(lǐng)導(dǎo)，采取措施防止頂板事故發(fā)生。

2.2 實(shí)施方案

1）預(yù)裂孔布置。現(xiàn)以結(jié)合寸草塔二礦22115膠運(yùn)順槽頂板巖性及高壓水預(yù)裂范圍的現(xiàn)場實(shí)測，初始預(yù)裂孔布置方式為：每排2個(gè)孔，距副幫800 mm布置一個(gè)，沿巷道中線向采空區(qū)打設(shè)；另一個(gè)距副幫1 800 mm，與綜采面呈45°角向采空區(qū)打設(shè)，鉆孔深度7m，與頂板呈60°～70°角，見圖1。

2）封孔深度。根據(jù)成孔質(zhì)量，封孔深度設(shè)置為2～4 m。

3）現(xiàn)場觀測。封孔深度為2m時(shí)，與注水孔相鄰的錨桿先漏水，然后錨桿大面積漏水，錨桿漏水量大于錨索漏水量；頂板出現(xiàn)明顯裂紋，且裂紋漏水量較大。封孔深度大于3m時(shí)，與注水孔相鄰的錨索先漏水，然后大面積錨索漏水，錨索漏水量大于錨桿漏水量，頂板未出現(xiàn)明顯裂紋。

圖1 方案一預(yù)裂孔布置平面圖

4）水壓及注水時(shí)間。水壓在32～45 MPa間，多數(shù)在32～42 MPa間，破斷水壓不大。注水時(shí)間5～6 min。

5）輔助退錨措施及垮落情況。不采用退錨措施時(shí)，上隅角懸頂長度6～8 m，靠副幫側(cè)滯后距離較遠(yuǎn)，隨周期來壓垮落。退錨情況時(shí)，上隅角懸頂長度可控制在4～6 m范圍內(nèi)，懸頂長度有所減小。

6）技術(shù)分析。①注水破斷壓力小，多數(shù)鉆孔大于30 MPa即泄壓。寸草塔二礦錨索排距2 000 mm，預(yù)裂孔布置排距5 m，存在預(yù)裂孔與錨索鄰近的現(xiàn)象，導(dǎo)致注水時(shí)與錨索鉆孔先期導(dǎo)通泄壓的情況出現(xiàn)。45°向采空區(qū)布置方式，與周邊2排錨索存在交叉或鄰近現(xiàn)象，也是導(dǎo)致提前泄壓的一個(gè)原因。②封孔深度。封孔深度在2m以內(nèi)時(shí)，高壓水與錨桿鉆孔優(yōu)先導(dǎo)通泄壓，對(duì)深部預(yù)裂效果有限。結(jié)合預(yù)裂孔成孔質(zhì)量，封孔深度以2.5～4m為宜。③輔助退錨方面。根據(jù)22115綜采面采高，水力致裂深度控制在6 m左右即可充實(shí)采空區(qū)，所以預(yù)裂后頂錨索仍起支護(hù)作用。如不退錨，綜采推過后錨索已破碎，頂板懸吊起來，不能及時(shí)垮落。④副幫側(cè)垮落仍存在滯后現(xiàn)象。

3.3 實(shí)施方案二

根據(jù)方案一的結(jié)果，改進(jìn)為方案二。

1）預(yù)裂孔布置方式。每排2個(gè)孔，距副幫500 mm布置一個(gè)，沿巷道中線向采空區(qū)打設(shè)，預(yù)裂孔排距6 m；另一個(gè)布置在巷道中部，垂直向順槽正幫打設(shè)；為避免與錨索鉆孔距離過近導(dǎo)致提早泄壓，排距為錨索排距的整數(shù)倍，布置在兩排錨索中間（寸草塔二礦錨索排距為2 m）。鉆孔深度8 m，與頂板呈60°～70°，見圖 2。

2）封孔深度。根據(jù)方案一試驗(yàn)結(jié)果，封孔深度在2.5～4 m之間。

圖2 方案二預(yù)裂孔布置平面圖

3）現(xiàn)場觀測。經(jīng)對(duì)預(yù)裂孔位置及封孔深度調(diào)整后，有效避免了與錨桿、錨索導(dǎo)通而提前泄壓現(xiàn)象。頂板破斷水壓有了明顯提升，達(dá)到38～54 MPa時(shí)錨索先行導(dǎo)通漏水，周圍錨桿漏水后大面積泄壓。頂板無明顯裂紋，局部出現(xiàn)條狀水痕。沖刷段排距6 m兩排孔間錨索、錨桿漏水量較小，存在不漏水的現(xiàn)象，且破斷水壓較大。

4）輔助退錨措施及垮落情況。按公司規(guī)定采取超前退錨措施。正常段懸頂長度基本可控制在2～3 m，靠副幫側(cè)能及時(shí)垮落；試驗(yàn)階段遇小面積沖刷，沖刷段最大懸頂長度仍達(dá)9 m左右，且聯(lián)巷口不能及時(shí)垮落。

5）技術(shù)分析。沖刷段、聯(lián)巷口不能及時(shí)垮落。因沖刷段頂板巖性較硬，原6 m排距兩孔無法導(dǎo)通或?qū)ú怀浞?；按正常排距?jì)算，聯(lián)巷口范圍內(nèi)只有2排預(yù)裂孔，且位置不固定，導(dǎo)致預(yù)裂效果差，頂板不能及時(shí)垮落。

2.4 實(shí)施方案三

根據(jù)方案二的結(jié)果，改進(jìn)為方案三。

1）預(yù)裂孔布置方式。預(yù)裂孔布置方式為每排2個(gè)孔，距副幫500 mm布置一個(gè)，沿巷道中線向采空區(qū)打設(shè)；另一個(gè)布置在巷道中部，垂直向順槽正幫打設(shè)；為避免與錨索鉆孔距離過近導(dǎo)致提早泄壓，排距為錨索排距的整數(shù)倍，布置在兩排錨索中間（寸草塔二礦錨索排距為2 m）。鉆孔深度8 m，與頂板呈60°～70°。頂板正常段仍為4 m、6 m間隔布置；沖刷段預(yù)裂孔排距為4 m；聯(lián)巷口布置3排，兩側(cè)抹角各1排，聯(lián)巷中部1排。見圖3和圖4。

2）封孔深度。因沖刷段頂板巖性較硬，完整性較好，為更好對(duì)沖刷段頂板進(jìn)行致裂，采用單排孔不同封孔深度多次注水的方式。封孔深度由淺至深（2～4 m）。

3）現(xiàn)場觀測。封孔深度由淺至深，錨桿、錨索分層次導(dǎo)通，破斷水壓較之前有所降低，通過漏水情況來看，每兩排間所有錨桿、錨索均能導(dǎo)通。

圖3 頂板為沖刷段預(yù)裂孔布置方式

圖4 聯(lián)巷口預(yù)裂孔布置方式

4）輔助退錨措施及采空區(qū)垮落情況。按公司規(guī)定采取超前退錨措施。沖刷段頂板懸頂長度可控制在4 m以內(nèi)，且聯(lián)巷口三角區(qū)頂板也能及時(shí)垮落。

5）技術(shù)分析。從現(xiàn)場實(shí)際觀測，按照方案三的方式分別頂板巖性和區(qū)域布置預(yù)裂孔，根據(jù)頂板堅(jiān)硬程度以不同封孔深度進(jìn)行注水，加之輔助退錨措施，可實(shí)現(xiàn)寸草塔二礦上隅角頂板及時(shí)垮落。

2.5 實(shí)施效果分析

1）寸草塔二礦按照方案三持續(xù)進(jìn)行注水致裂，注水后上隅角懸頂可控制在1～3 m左右，且副幫側(cè)全部垮落。生產(chǎn)時(shí)上隅角瓦斯控制在0.3%～0.4%，檢修時(shí)上隅角瓦斯控制在0.2%～0.3%。

2）根據(jù)順槽頂板巖性確定預(yù)裂孔合理的排距，不宜與已支護(hù)錨桿錨索距離過近。

3）封孔深度與注水方式。正常段頂板封孔深度在2.5 m以上為宜；遇沖刷等堅(jiān)硬巖石段可實(shí)行2～4 m分階段封孔，多次注水的方式。

4）破斷壓力與注水時(shí)間。根據(jù)寸草塔二礦對(duì)22115膠運(yùn)順槽150 m試驗(yàn)情況，砂質(zhì)泥巖段頂板注水壓力在32～45 MPa之間；沖刷段頂板注水壓力在40～55 MPa之間，注水時(shí)間以5～7 min為宜，沖刷段可適當(dāng)延長。

5）根據(jù)注水后頂板狀況實(shí)行輔助退錨措施。注水孔周邊最近的錨桿保留，機(jī)頭行人通道側(cè)錨桿保留。

6）注水、檢修、退錨作業(yè)相互配合。先檢修、后注水，根據(jù)注水后頂板情況決定是否實(shí)施退錨作業(yè)，確保安全。

3 結(jié)束語

水力致裂技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了綜采工作面三角區(qū)大面積懸頂和上、下隅角瓦斯積聚的問題，配合退錨措施使頂板垮落效果更加明顯，不僅提升了綜采工作面的安全生產(chǎn)程度，而且有效降低了材料成本，經(jīng)退錨取下的錨索、錨桿托盤、鎖具等都能重復(fù)利用，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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