辛置煤礦2-208工作面頂板弱化技術(shù)

伊軍榮

(霍州煤電集團(tuán) 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

近些年來，堅硬頂板突發(fā)性冒落引起的礦山災(zāi)害事故頻發(fā)[1]，為了有效控制這類堅硬難垮落頂板，目前主要運用了頂板注水和爆破弱化技術(shù)[2-4]。這兩種方法通常單獨施工，且施工工藝復(fù)雜、施工成本較高。爆破致裂過程的除塵、降溫難度較大，亟須充分結(jié)合水力致裂與頂板定點爆破的優(yōu)點、優(yōu)化采空區(qū)堅硬頂板的弱化方案，即利用同一個鉆孔，分別設(shè)計并實施水力致裂與頂板定點爆破(頂板鉆孔的耦合致裂和弱化方案)。耦合弱化的方案不僅可以有效降低多個鉆孔的施工難度和成本，還能在一定程度上達(dá)到降溫、除塵的目的。注水軟化所需時間較長，但提前施工注水并不影響采煤工作面的正常作業(yè)，注水不僅可以預(yù)裂浸潤部分頂板，還可以在煤巖體已經(jīng)注水致裂的前提下(煤巖體呈固液狀態(tài))進(jìn)行爆破，這樣可使頂板覆巖裂隙數(shù)量增加，進(jìn)一步弱化堅硬頂板。

1 工作面概況

辛置煤礦2-208綜采工作面走向長175 m，傾向長579 m，所采2號煤層為可采穩(wěn)定煤層，煤層厚3.8～4.3 m，平均4.1 m。煤層直接頂主要由薄層狀半堅硬的泥巖、砂泥巖組成；老頂主要為灰白色厚層狀堅硬難冒落中細(xì)砂巖，煤層頂、底板物理力學(xué)參數(shù)如表1。工作面回采過程中極易引發(fā)頂板大面積懸露，安全隱患較大。根據(jù)現(xiàn)場實測，未實施頂板預(yù)裂的2-208臨近工作面初次來壓步距為32 m，周期來壓步距12 m。

表1 煤層頂、底板物理力學(xué)參數(shù)

2 頂板弱化方案

2.1 鉆孔長度及角度

在2-208綜采工作面兩巷，每排布置耦合鉆孔2個，編號1號、2號，孔深為32.0 m，其中注水長度32.0 m，裝藥長度為24.0 m，封孔長度8.0 m，鉆孔直徑為110 mm。首排鉆孔布置在超前工作面10 m處，排距6.0 m，一次性施工10排鉆孔，分別在工作面兩巷同時施工，施工結(jié)束后封孔注水，注水5 d后裝藥爆破，隨著工作面推進(jìn)鉆孔循環(huán)施工，直至該工作面回采結(jié)束。1號、2號鉆孔與煤層傾向方向夾角均為65°，1號鉆孔與煤層走向方向夾角為30°，2號鉆孔與煤層走向方向夾角為55°，采用六合煤機廠生產(chǎn)的BZW200/56型號注水泵，采用兩泵一箱壓裂，單泵公稱流量200 L/min，公稱壓力56 MPa。耦合致裂鉆孔布置如圖1所示。

2.2 水力致裂壓力

合理水力致裂注水壓力應(yīng)有上、下限閥值，上限值的確定基本原則為一定頂板埋深下覆巖不會漏水，下限值的確定應(yīng)在一定的時間里注入所需的水量，通常不大于2 MPa。式(1)為煤層頂板埋深與注水壓力(Pw)之間的關(guān)系。

(1)

式中：H為煤層頂板埋深，m。

所采2號煤層頂板埋深約350 m，帶入(1)式中，通過計算求得最大理論壓力22.3 MPa，最終確定的壓力為22 MPa。

圖1 頂板耦合致裂鉆孔空間布置

2.3 水力致裂單孔注水量

通過式(2)可計算得出單孔注水量。

Mk=K·T(W1-W2)

(2)

式中：Mk為單孔所需的注水質(zhì)量，kg；T為所需浸潤煤巖體的質(zhì)量，T=l×a×h×ρr；W1為頂板飽和含水率，%，可根據(jù)調(diào)研地質(zhì)資料確定；W2為注水前頂板初始含水率，%；K為水量不均衡系數(shù)；l為鉆孔長度，m；a為鉆孔周圍待潤濕巖體半徑，m；h為覆巖厚度，m；ρr為頂板視密度，kg/m3。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果：K取0.5，l=32 m，a=5 m，h=300 m，ρr=2.8×103kg/m3，(W1-W2)為0.01%。將所取參數(shù)帶入公式中，可以計算得出單一鉆孔所需水量6.72 t。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

基于以上采空區(qū)頂板耦合弱化方案，分別在辛置煤礦2-208綜采工作面運輸、回風(fēng)巷內(nèi)，對堅硬頂板實施耦合弱化處理。為進(jìn)一步了解預(yù)裂效果，對該工作面回采過程中實施礦壓觀測，得出工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，及初次來壓步距、周期來壓步距，并將監(jiān)測結(jié)果同鄰近未實施頂板弱化處理的工作面監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析對比，明確2-208工作面實施頂板預(yù)裂弱化處理的意義。

1) 初次來壓監(jiān)測分析。未實施弱化的相鄰工作面，回采至30 m時頂板初次來壓，懸頂面積3 000 m2左右，而2-208工作面耦合弱化處理之后，初次來壓位置在21 m處，懸頂面積約2 100 m2，初次來壓步距提前了9 m，懸頂面積減少了近30%。

2) 周期來壓監(jiān)測分析。根據(jù)初次來壓與周期來壓間的關(guān)系，2-208工作面周期來壓步距預(yù)計為12 m。2-208工作面回采至33 m時，據(jù)預(yù)測工作面將會第一次周期來壓，但現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)內(nèi)并沒有出現(xiàn)大面積懸頂。工作面回采至50 m位置時，根據(jù)預(yù)測工作面將再次周期來壓，但現(xiàn)場實際觀測發(fā)現(xiàn)，支架壓力值無明顯波動，采空區(qū)未出現(xiàn)大面積空頂。

3) 工作面礦壓觀測。據(jù)工作面礦壓實時監(jiān)測，2-208綜采工作面頂板在耦合致裂處理之后，支架荷載明顯降低，如圖2所示，2-208工作面支架壓力比未進(jìn)行弱化的臨近工作面支架壓力平均低5～6 MPa，耦合致裂效果明顯，液壓支架能適應(yīng)頂板的周期性垮落。2-208工作面回采期間支架壓力峰值為26.8 MPa，未超過報警值40 MPa，且工作面沒有出現(xiàn)大范圍來壓現(xiàn)象，也未出現(xiàn)煤壁片幫、支架傾覆等現(xiàn)象。

圖2 工作面支架壓力曲線

分析認(rèn)為，在2-208工作面回采前，耦合致裂在頂板內(nèi)產(chǎn)生大量裂隙，成功弱化了部分堅硬頂板。在工作面開采過程中，借助超前支承壓力的預(yù)裂作用，及時促進(jìn)了采空區(qū)堅硬頂板的垮落，減小了工作面的初次來壓步距，避免了頂板的大范圍懸頂。此外，耦合致裂可以對頂板進(jìn)行定向切割，促進(jìn)了頂板的分塊垮落，減小初次來壓強度，使支架荷載降低，為工作面的安全高效回采提供了保障。

4 結(jié) 語

1) 針對辛置煤礦2-208綜采面堅硬難垮落頂板，提出耦合致裂方案為孔深32.0 m，注水長度32.0 m，裝藥長度24.0 m，封孔長度8.0 m，孔排距6.0 m，鉆孔直為110 mm，水泵壓力控制在22 MPa，單一鉆孔所需水量6.72 t。1號、2號鉆孔與煤層傾向方向夾角為65°，1號鉆孔與煤層走向方向夾角為30°，2號鉆孔與煤層走向方向夾角為55°。

2) 現(xiàn)場試驗表明，采用耦合致裂方法處理堅硬難垮落頂板，有效解決了頂板大面積懸頂問題，使2-208綜采面實現(xiàn)了安全回采，為辛置煤礦在堅硬頂板處理問題上提供了科學(xué)依據(jù)，對于指導(dǎo)后續(xù)工作面頂板控制意義重大，也為類似礦井提供了參考依據(jù)。