佳峰煤礦隅角頂板強制放頂技術(shù)研究

范常勝

（山西離柳焦煤集團有限公司佳峰煤礦，山西 孝義 032300）

采面隅角頂板懸露是影響工作面頂板管理和瓦斯防治效果的難題，通常采面隅角懸頂面積和滯空時間越小，采場礦壓越平穩(wěn)。對于隅角頂板懸露問題，專家學者通過研究及實踐提出了強制放頂技術(shù)以消除生產(chǎn)安全風險[1-4]，如提前退錨、預裂爆破放頂、水力壓裂等。但預裂爆破存在爆炸后污染井下空氣、放炮期間影響正常生產(chǎn)和易引發(fā)瓦斯和煤塵爆炸等問題，威脅礦井安全生產(chǎn)。水力壓裂技術(shù)在煤礦堅硬頂板弱化、沿空留巷切頂及采面防沖方面得到了廣泛的應用。該技術(shù)通過在堅硬頂板內(nèi)部預制裂隙，然后通過高壓水力拓展裂隙，實現(xiàn)人工提前弱化頂板的效果。同預裂爆破相比，水力壓裂技術(shù)具有無有毒有害氣體產(chǎn)生、裂隙可控且預裂過程安全等技術(shù)優(yōu)勢。本論文針對1116運輸順槽隅角不易垮落問題，結(jié)合工作面的開采參數(shù)設(shè)計了水力壓裂方案，為隅角頂板管控提供了解決方案。

1 工程背景

佳峰煤礦1116工作面運輸順槽屬于+820 m水平一采區(qū)，南為1116工作面，東至井田保安煤柱線，西鄰南軌道大巷，北為1115工作面采空區(qū)。巷道沿11#煤層底板掘進，標高為+799～ +833 m，巷道設(shè)計總長度為1403 m。巷道斷面形狀為矩形，凈寬為4.5 m，凈高為2.6 m。

1116工作面開采10+11#煤層，10#與11#為合并層，平均煤層厚度為6.91 m，煤層傾角為0°～8°。頂板有一層厚度為15.68 m的K2石灰?guī)r，巖層強度較高。頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

由于1116運輸順槽上覆厚達15.68 m的石灰?guī)r基本頂，在回采時工作面隅角頂板易出現(xiàn)懸頂現(xiàn)象，不利于采面安全回采。隅角頂板的突然垮落易引起端頭支架壓架事故，同時沖擊氣流易帶出采空區(qū)瓦斯瞬間涌出造成瓦斯超限，威脅采面人員、設(shè)備的安全生產(chǎn)。

2 隅角頂板強制放頂技術(shù)

2.1 強制放頂技術(shù)確定

采面隅角頂板發(fā)生懸露的原因一般是因為頂板賦存堅硬完整的巖層，上方巖層裂隙弱面較少，采空區(qū)弧形三角板未能及時垮落，支架移架后頂板在采空區(qū)懸露，造成應力集中和能量積聚。頂板垮落形態(tài)如圖1。

圖1 工作面開采后頂板垮落形態(tài)示意

針對采空區(qū)隅角弧形三角板懸露問題，專家學者經(jīng)過實踐研究提出了一系列較為成熟的隅角頂板強制放頂技術(shù)，目前應用較多的主要有兩種：水力壓裂技術(shù)和預裂爆破技術(shù)。

（1）水力壓裂技術(shù)

水力壓裂技術(shù)是通過高水壓拓展巖層的結(jié)構(gòu)弱面，使巖體的結(jié)構(gòu)完整性進一步劣化，降低隅角頂板巖層的力學性能，使頂板能夠及時垮落，是目前應用較為廣泛的巖體劣化技術(shù)。

（2）預裂爆破技術(shù)

預裂爆破技術(shù)是通過爆破的沖擊能量破壞隅角頂板的結(jié)構(gòu)完整。深孔預裂爆破技術(shù)在采面堅硬頂板治理工作面中應用廣泛。

綜合考慮技術(shù)施工的安全性和頂板放頂效果等因素，決定通過水力壓裂的方式對1116上順槽隅角頂板進行強制放頂，以解決隅角頂板懸露問題。

2.2 隅角水力壓裂切頂機理

在回采工作面超前位置，沿巷道走向在頂板肩窩位置施工水力壓裂鉆孔，鉆孔內(nèi)通過施工環(huán)向切槽預制裂隙，然后通過水壓作用拓展預制裂隙形成更大范圍的破壞，弱化巖體結(jié)構(gòu)完整和力學性能。采面推過后，受超前支承壓力作用和煤柱切頂作用，隅角弧形三角板巖塊能夠及時垮落，實現(xiàn)強制放頂?shù)哪康?。水力壓裂隅角頂板切頂機理如圖2。

圖2 水力壓裂隅角頂板切頂機理示意

2.3 水力壓裂參數(shù)設(shè)計

基于水力壓裂切頂機理及1116工作面頂板巖層賦存特征，確定水力壓裂鉆孔布置及壓裂參數(shù)。

（1）為保證頂板水力壓裂破壞范圍，保證強制放頂效果，在1116運輸順槽非回采側(cè)巷幫頂板及距巷幫1 m處頂板布置2組壓裂鉆孔。每組鉆孔的排距設(shè)計為10 m，直徑均為56 mm。巷幫鉆孔長16 m，仰角70°；距巷幫1 m鉆孔長20 m，與巷道中線夾角為5°，仰角70°。鉆孔布置如圖3。

圖3 水力壓裂鉆孔布置圖

（2）水力壓裂鉆孔實施過程中，每間隔2 m利用切槽鉆頭提前在孔壁磨出定向裂縫，壓裂過程中每2 m進行一次壓裂，使得水壓可以進一步拓展破壞預制裂縫。注水壓力設(shè)定為17～32 MPa，保壓時間設(shè)定為20～30 min。需要超前采面50 m距離處開始實施水力壓裂，壓裂鉆孔距孔口8 m范圍內(nèi)不進行水力壓裂，保護頂板錨索支護系統(tǒng)的完整性。

（3）利用雙端封孔及高壓注水組合系統(tǒng)以實現(xiàn)在水力壓裂過程中對孔內(nèi)分段高壓注水。壓裂順序為由孔底向孔口方向進行分段多次壓裂，壓裂前需封閉封孔器，然后按設(shè)計參數(shù)進行高壓水力壓裂。完成單次水力壓裂后，外退封孔器至下一壓裂段，按上述操作進行重復壓裂，直至單孔壓裂結(jié)束。

3 現(xiàn)場應用效果

通過水力壓裂措施，1116運輸順槽隅角頂板力學性能被弱化，能夠?qū)崿F(xiàn)隨采隨落，避免應力和能量在隅角頂板產(chǎn)生積聚，防止發(fā)生由頂板突然破斷引起的動力沖擊和壓架現(xiàn)象。為驗證該技術(shù)的實施效果，對采場礦壓情況進行監(jiān)測分析。

（1）隅角頂板垮落情況

根據(jù)隅角頂板監(jiān)測結(jié)果，采取強制放頂措施后1116運輸順槽隅角可隨采面推進及時破斷垮落，最大懸頂面積為2×4.5 =9 m2，平均懸頂面積低于6 m2，部分區(qū)域頂板弱化效果較好，支架后方頂板無懸頂，隅角頂板在支架后方破斷。同未采取強制放頂區(qū)域相比，頂板懸頂面積降低了46～52 m2。

（2）采場來壓情況

在1116運輸順槽端頭支架安設(shè)在線壓力監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測采取水力壓裂前后周期來壓步距及支架壓力情況，見表3。未采取水力壓裂措施前端頭支架周期來壓步距為39 m，壓裂后為18.3 m，采取水力壓裂措施后隅角頂板周期來壓步距比壓裂前降低了20.7 m，降低53.1%。采取水力壓裂措施可明顯降低支架受力，工作阻力降低了16.6%。表明水力壓裂措施的實施可有效切落隅角頂板。

表2 水力壓裂前后端頭支架來壓步距及支架壓力

根據(jù)上述采場礦壓監(jiān)測結(jié)果，可得出強制放頂技術(shù)可實現(xiàn)預期隅角頂板控制效果，有效避免隅角頂板的懸露，大幅降低頂板懸露面積，緩解煤壁和端頭支架需承受的上覆巖層重力載荷，避免煤壁片幫、壓架等現(xiàn)象的發(fā)生，保障工作面安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）針對1116工作面運輸順槽上覆堅硬灰?guī)r頂板引起的隅角頂板懸露問題，為保證頂板及時垮落，提出在巷道內(nèi)采取水力壓裂技術(shù)對隅角頂板進行強制放頂。

（2）通過采取強制放頂技術(shù)后，隅角頂板能夠及時垮落，隅角頂板懸露面積較小，基本頂來壓平穩(wěn)，支架壓力較小，保證了采面安全生產(chǎn)。