大同礦區(qū)回采巷道頂板預(yù)裂技術(shù)應(yīng)用效果探究

牛福龍

（晉能控股集團(tuán)有限責(zé)任公司山西大同037003）

1 引言

大同礦區(qū)自建國以來一直是我國重要的煤炭資源生產(chǎn)基地，礦區(qū)目前淺部侏羅系煤層已基本采空，現(xiàn)主采煤層為石炭系特厚煤層。石炭系煤層直接頂多為細(xì)粒砂巖組成的堅(jiān)硬頂板，生產(chǎn)過程中受堅(jiān)硬頂板影響，回采巷道往往變形嚴(yán)重，嚴(yán)重制約工作面安全高效生產(chǎn)。

為解決回采巷道的強(qiáng)礦壓問題，我國學(xué)者進(jìn)行了廣泛的探索。董合祥等[1]通過采用小煤柱沿空掘巷的巷道布置形式，從源頭上改變巷道應(yīng)力環(huán)境，極大的緩解了回采巷道變形嚴(yán)重問題。高亮等[2]運(yùn)用地面水力壓裂技術(shù)對工作面上覆關(guān)鍵層進(jìn)行了致裂，從采場大結(jié)構(gòu)的角度有效降低了工作面礦壓顯現(xiàn)程度。馮飛龍等[3]通過在回采巷道兩幫及底板施工大直徑卸壓孔有效緩解了巷道局部圍巖應(yīng)力。吳磊等[4]通過讓壓支護(hù)及煤體注漿技術(shù)，從加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度和圍巖整體強(qiáng)度的角度有效治理了巷道強(qiáng)礦壓。

可看出，為堅(jiān)硬頂板造成的巷道強(qiáng)礦壓問題，我國主要從巷道布置形式、遠(yuǎn)場關(guān)鍵層致裂、強(qiáng)化支護(hù)參數(shù)以及大直徑卸壓孔等方面展開研究，但上訴解決手段應(yīng)用于大同礦區(qū)后往往治標(biāo)不治本，未能從根本上解決回采巷道的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)。近年來大同礦區(qū)廣泛探索巷道頂板預(yù)裂技術(shù)，筆者通過對比不同預(yù)裂方案技術(shù)特征，總結(jié)提出可在礦區(qū)內(nèi)廣泛推廣應(yīng)用的技術(shù)手段。

2 巷道頂板預(yù)裂原理

隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)頂板暴露范圍不斷擴(kuò)大，其頂板巖層將出現(xiàn)冒落；但采空區(qū)頂板巖層較完整、厚度較大、堅(jiān)硬時(shí)，冒落會(huì)被擱置一定的時(shí)間，在采空區(qū)上方將形成不穩(wěn)定的殘留邊界；沿空巷道圍巖變形大、長期無法穩(wěn)定主要是堅(jiān)硬厚頂板懸頂時(shí)間長或煤柱上方殘留邊界所引起的。

巷道頂板預(yù)裂[5-6]的關(guān)鍵就是將臨空側(cè)煤柱上方懸臂梁切落，以減小懸臂梁上覆荷載及回轉(zhuǎn)變形，切斷或大大削弱巖梁傳遞到護(hù)巷煤柱和留設(shè)巷道內(nèi)的荷載，從根本上降低懸臂梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，降低巷道圍巖應(yīng)力，使巷道圍巖應(yīng)力處于圍巖流變擾動(dòng)閾值以下，從而達(dá)到控制巷道變形量的目的[7]。

未預(yù)裂頂板巷道其圍巖壓力要比預(yù)裂后的壓力大，表現(xiàn)在窄煤柱、煤壁側(cè)煤體內(nèi)的垂直應(yīng)力，巷道預(yù)裂前后其覆巖結(jié)構(gòu)見圖1。圖1-（a）為未預(yù)裂巷道覆巖結(jié)構(gòu)，煤柱側(cè)受頂板結(jié)構(gòu)重力FG和懸臂梁結(jié)構(gòu)壓力F壓的雙重作用，F(xiàn)壓是以煤柱為支點(diǎn)出現(xiàn)向上的扭轉(zhuǎn)力，出現(xiàn)對煤柱造成影響的推力F推，因此未預(yù)裂的巷道幫部受頂板壓力、扭轉(zhuǎn)力的影響出現(xiàn)水平推力導(dǎo)致變形大、支護(hù)難[8]。圖1-（b）為預(yù)裂后巷道覆巖結(jié)構(gòu)形成，預(yù)裂后的頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)被切斷，幫部僅受FG影響，因此巷道變形不明顯。

圖1 預(yù)裂前后巷道頂板結(jié)構(gòu)

3 巷道頂板預(yù)裂技術(shù)

針對堅(jiān)硬頂板回采過程中帶來的巷道強(qiáng)礦壓問題，大同礦區(qū)不同礦井根據(jù)各自地質(zhì)條件探索巷道頂板預(yù)裂技術(shù)，綜合來看大致分為爆破預(yù)裂和水力預(yù)裂兩大類。

3.1 定向聚能爆破頂板預(yù)裂切縫技術(shù)

定向聚能爆破是在一種新型的爆破切頂技術(shù)，施工工藝簡單，應(yīng)用時(shí)只需要在預(yù)裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向?qū)?yīng)于巖體預(yù)裂方向。爆轟產(chǎn)物將在兩個(gè)設(shè)定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中張拉應(yīng)力，使預(yù)裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預(yù)裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將大大下降，同時(shí)由于聚能裝置對圍巖的保護(hù)，鉆孔周邊巖體所受損傷也大大降低，可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)預(yù)裂的同時(shí)又可以保護(hù)巷道頂板。

3.1.1 應(yīng)用工作面概況

大同礦區(qū)晉華宮8101 工作面2101 小煤柱巷率先采用定向聚能爆破技術(shù)預(yù)裂巷道頂板。巷道煤層直接頂為4.1 m 厚的灰色細(xì)砂巖及砂質(zhì)頁巖互層，基本頂為9.73 m 厚的灰白粗中砂巖。2101 巷基本頂高度為11 m～13 m，平均12 m。

3.1.2 切縫方案

為減小切頂后巷道懸臂梁的長度，切縫應(yīng)靠實(shí)體煤側(cè)布設(shè)，同時(shí)為使得切縫頂板更容易垮落，切縫采取豎直切縫設(shè)計(jì)。

2101 巷爆破預(yù)裂切頂長度為640 m，切縫深度為11 m～13 m（根據(jù)現(xiàn)場探測確定），切縫線距煤柱側(cè)幫部500 mm，切縫角度0°，切縫鉆孔間距600 mm，如圖2所示。

圖2 2101巷爆破預(yù)裂切頂設(shè)計(jì)圖

3.1.3 爆破方案

首先需進(jìn)行單孔爆破試驗(yàn)，確定合理的裝藥量和封泥長度，再進(jìn)行間隔爆破，觀察兩相鄰裝藥孔間空孔內(nèi)裂紋情況，如兩相鄰裝藥孔間空孔裂紋未達(dá)到裂縫率要求標(biāo)準(zhǔn)，再進(jìn)行一次連續(xù)爆破試驗(yàn)，最終確定一次爆破孔數(shù)以及爆破方式等，炮孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)方案見圖3。

圖3 炮孔參數(shù)試驗(yàn)方案

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內(nèi)徑為36.5 mm，管長1 500 mm。聚能爆破采用三級煤礦乳化炸藥，擬采用炸藥規(guī)格為直徑φ28×200 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。具體裝藥參數(shù)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，爆破實(shí)驗(yàn)方案如表所示。

表1 爆破試驗(yàn)方案

3.1.4 應(yīng)用效果分析

晉華宮2101 小煤柱巷定向聚能爆破頂板預(yù)裂切縫結(jié)果表明：聚能爆破威力較大可對堅(jiān)硬頂板造成有效裂隙，但裂隙方向難以控制，對巷道側(cè)向頂板可達(dá)到有效弱化，但由于裂隙發(fā)育方向不可控，頂板弱化效果一般。

圖4 聚能爆破鉆孔效果

3.2 水力切割切頂卸壓技術(shù)

“高壓水射流割縫+水力壓裂”切頂技術(shù)的應(yīng)用主要是減弱采空區(qū)頂板懸頂長度，切斷采空區(qū)頂板應(yīng)力傳遞，減弱對巷道的頂板壓力，控制頂板下沉。為了減少端頭懸頂面積，一方面要對懸頂傾向切頂（即），切斷基本頂與側(cè)向支撐點(diǎn)的力學(xué)聯(lián)系；另一方面，要對懸頂走向切頂，減少端頭走向懸露的跨度。通過高壓水射流對頂板切縫，加水壓致裂對頂板進(jìn)行壓裂。

3.2.1 應(yīng)用工作面概況

大同礦區(qū)燕子山礦8210 面2210 巷采用高壓水射流技術(shù)進(jìn)行巷道頂板預(yù)裂。巷道煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度穩(wěn)定，煤層有效厚度為5.12 m～9.34 m，有7 至9 層0.12 m～1.18 m 的夾石，平均厚度0.45 m，全厚為7.80 m～11.47 m，煤層屬厚煤層，變異系數(shù)9.56%，系穩(wěn)定煤層，煤層大致走向東西，傾向北，傾角為2°。

3.2.2 切頂鉆孔參數(shù)

端頭懸頂切頂層位的確定，并非是將煤層上方頂板完全切頂以填滿采空區(qū)，而是要看煤層上方頂板堅(jiān)硬巖層的層位，且切頂卸壓效果與頂板上方關(guān)鍵層頂板斷裂位置和層位有很大關(guān)系。因此，切頂層位確定原則是切斷巷道頂板堅(jiān)硬巖層與采場巷道直接頂、基本頂之間的聯(lián)系，從而達(dá)到卸壓的目的。

由2210巷頂板巖層賦存可知，頂煤及偽頂平均厚h1=5.7 m，直接頂平均厚h2=8.3 m，基本頂平均厚h3=6.0 m，因此切縫高度H0=h1+h2+h3=20.0 m，切頂巖層選定在頂板上方的粉細(xì)砂巖互層與中粒砂巖。為此設(shè)計(jì)在2210 側(cè)切側(cè)向懸頂，減少端頭懸頂?shù)拿娣e，改善小煤柱受力狀態(tài)。

切割鉆孔長度為21 m，角度為70°，鉆孔間距0.5 m，鉆孔直徑為60 mm，孔內(nèi)整段進(jìn)行高壓水切割，設(shè)計(jì)水壓50 MPa，具體布置參數(shù)如圖5所示。

圖5 水利切割鉆孔布置參數(shù)

3.2.3 高壓割縫器裝置結(jié)構(gòu)與裝置主要技術(shù)參數(shù)

超高壓水力割縫裝置主要由金剛石復(fù)合片鉆頭、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、超高壓清水泵、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、超高壓軟管等組成。

圖6 超高壓水力切割設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

表2 超高壓水力割縫裝置技術(shù)參數(shù)表

3.2.4 水力壓裂設(shè)備組成

水力壓裂設(shè)備主要完成水壓封孔、高壓水致裂、保壓注水等主要工序，其主要水箱、高壓泵、高壓管、地質(zhì)鉆機(jī)、高壓鉆桿以及封孔器等裝置組成。其中，高壓泵以及高壓水傳輸系統(tǒng)以及地質(zhì)鉆機(jī)，可與水力割縫裝置共用。

封孔器由中心管和封隔器膠筒組成水路通道，中心管注入高壓水，通向壓裂段，通過高壓水壓裂巖孔；而封隔器與中心管形成的空間，存儲高壓水用以密封壓裂段。通過連桿將兩支封隔器相連，巖孔壓裂段處于兩支封隔器之間。工作時(shí)，先用手動(dòng)泵通過高壓膠管給封隔器膠筒與中心管間隙加壓，密封巖孔壓裂段，不使壓裂段高壓水外泄。封隔器連桿拉住兩只封隔器，保持封隔器平衡，使封隔器與巖孔沒有相對位移。封孔器與鉆桿連接處用“O”型圈密封，螺紋扣連接，長度為1.5 m。鉆桿作用主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：其一，作為連接構(gòu)件將連接好的封隔器系統(tǒng)送至割縫位置；其二，作用加壓通道對封隔的鉆孔段進(jìn)行壓裂。

圖7 超高壓水力切割工藝示意圖

3.2.5 應(yīng)用效果分析

燕子山礦2210 巷實(shí)施水力切割后對切割鉆孔成縫效果進(jìn)行窺視，窺視結(jié)果表明，水力切割切頂卸壓技術(shù)可使巷道端部懸板形成有效的定向裂隙，切裂隙深度可通過切割水壓及時(shí)長改變，能有效達(dá)到頂板切割目的，窺視結(jié)果如下：

圖8 水力切割鉆孔效果

回采過程中對2210 巷水力切割段和正?；夭啥蜗锏绹鷰r變形進(jìn)行觀測，觀測結(jié)果如下：

圖9 巷道表面位移對比

觀測結(jié)果表明，巷道采用水力切割切頂卸壓后，兩幫和底鼓表面位移量減少近一半，說明水力切割效果顯著。

3.3 二氧化碳致裂技術(shù)

二氧化碳致裂是二氧化碳致裂器利用液態(tài)二氧化碳吸熱氣化膨脹，壓力急速上升的原理，在達(dá)到目標(biāo)壓力后瞬間釋放高壓氣體進(jìn)行破巖、致裂。致裂器具有體積小，便于運(yùn)送，使用過程安全可靠，威力可控等優(yōu)點(diǎn)。

在二氧化碳致裂器儲液管內(nèi)充裝液態(tài)二氧化碳，啟動(dòng)加熱裝置產(chǎn)生大量熱量，使儲液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳瞬間氣化，體積膨脹約600 倍，壓力急劇升高，當(dāng)管內(nèi)壓力達(dá)到定壓剪切片極限強(qiáng)度時(shí)，高壓氣體沖破定壓剪切片從釋放管釋放，利用瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大推力，沿煤、巖體的自然裂隙或被爆破引發(fā)的裂面沖破物料，從而達(dá)到爆破的目的。

3.3.1 應(yīng)用工作面概況

大同礦區(qū)塔山礦8222 工作面5222 巷采用二氧化碳致裂技術(shù)對巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂。巷道平均埋深約479 m，煤層傾角1°～4°，平均煤厚15.76 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸2～17 層，夾矸厚度0.26 m～5.2 m，平均夾矸厚度1.33 m，煤層老頂為粗砂巖、含粒細(xì)砂巖、沙質(zhì)泥巖和砂礫巖。

3.3.2 設(shè)備組成

二氧化碳致裂器致裂技術(shù)的設(shè)備主要由二氧化碳致裂器及輔助設(shè)備組成，核心設(shè)備是二氧化碳致裂器。二氧化碳致裂器主要由儲液管、加熱裝置、充裝閥、密封墊、定壓剪切片、釋放管及止飛器7部分組成，結(jié)構(gòu)如圖10至圖12。

圖10 二氧化碳致裂器內(nèi)部構(gòu)造圖

圖11 二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)圖

圖12 主要部件實(shí)物樣圖

（1）充裝閥：液態(tài)二氧化碳進(jìn)入儲液管的開關(guān)，當(dāng)充裝到規(guī)定的重量時(shí)關(guān)閉開關(guān)，它必須具有良好的密封性能，采取面接觸式密封。

（2）加熱裝置：由啟動(dòng)器、發(fā)熱材料、保護(hù)罩或支架組成，是為致裂器儲液管內(nèi)液體二氧化碳?xì)饣峁崮艿难b置。啟動(dòng)器由2 根絕緣腳線、熔絲、引藥組成，用以引燃發(fā)熱材料。發(fā)熱材料由幾種化工原料配制而成的化學(xué)藥劑固體粉末組成，在一定溫度下瞬間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生很高氣體溫度。

（3）儲液管：高強(qiáng)度合金鋼材所制的耐高壓（≥300 MPa）和耐高溫（≥1 800 ℃）管式容器，用于儲存液態(tài)二氧化碳。

（4）密封墊：密封部件，起蓄能作用。

（5）定壓剪切片：控制泄能壓力的部件，可以通過使用不同規(guī)格的剪切片從而控制得到不同釋放壓力，一般用200 MPa、250 MPa、300 MPa，目前最大釋放壓力可達(dá)400 MPa。

（6）釋放管：儲液管氣體壓力造成定壓剪切片破裂，高壓氣體瞬間從管中噴射出來的元件。

（7）止飛器：起封孔作用，也可叫封孔器。

輔助設(shè)備主要有充裝設(shè)備、起爆設(shè)備及拆裝設(shè)備三類。充裝加工設(shè)備包括液態(tài)二氧化碳儲罐、充裝機(jī)、多管充裝臺及安置架，如圖13所示。將組裝好的致裂器固定在充裝臺上，利用充裝機(jī)將儲罐內(nèi)的液態(tài)二氧化碳注入致裂器中，充裝完畢將致裂器放置在安置架上，以備使用。利用多管充裝臺可實(shí)現(xiàn)多管快速充裝。

圖13 充裝加工設(shè)備實(shí)物樣圖

起爆設(shè)備包括起爆器和起爆專用母線，如圖14所示，利用母線將成組致裂器與起爆器相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離起爆。拆裝設(shè)備主要是無損快速組裝器，將爆破后的致裂器回收，拆開更換損壞的密封墊及定壓剪切片，重新組裝成新的致裂器，重復(fù)利用。

圖14 起爆設(shè)備圖

3.3.3 工藝流程

二氧化碳致裂器致裂技術(shù)工藝流程為成孔→送入→撤人→起爆→取出→歸庫。見圖15 在需要爆破的頂板位置打鉆孔，成孔后，利用鉆機(jī)送入致裂器，通過若干根連接管，致裂器連接見圖16，實(shí)現(xiàn)爆破器精確定位，啟動(dòng)后，影響范圍相互疊加，實(shí)現(xiàn)爆破，疊加爆破效果如圖17所示。

圖15 工藝流程圖

圖16 致裂器連接圖

圖17 疊加爆破

3.3.4 應(yīng)用效果分析情況

塔山礦2210 巷實(shí)施二氧化碳致裂后對鉆孔致裂效果進(jìn)行窺視，結(jié)果表明，二氧化碳致裂威力較小，對于堅(jiān)硬頂板成縫效果不明顯，且裂隙發(fā)育方向不規(guī)則，對巷道側(cè)向懸頂弱化效果較差，窺視結(jié)果見圖18。

圖18 二氧化碳致裂鉆孔效果

4 結(jié)論

通過對比分析大同礦區(qū)不同礦井巷道堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)，水力切割切頂卸壓技術(shù)相較于定向聚能爆破以及二氧化碳致裂技術(shù)有安全綠色高效等顯著特點(diǎn)，成縫效果好，切縫深度及方向可靠。生產(chǎn)實(shí)踐表面：水力切割切頂卸壓技術(shù)可有效弱化巷道側(cè)向懸板，回采過程中巷道表面位移變化小，巷道圍巖控制效果顯著，技術(shù)值得在大同礦區(qū)類似地質(zhì)條件礦井推廣使用。