寧東礦區(qū)堅硬煤巖體工作面綜合卸壓技術(shù)回顧

呂兆海，沈銘華，張 兵，辛廣偉，李方洲，何維勝，張藝耘

(1.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750004；2.英國利物浦大學，英國利物浦，L69 3BX)

堅硬頂煤預裂開采通常采用深孔爆破技術(shù)和煤層水力致裂技術(shù)，通過爆破預裂、高壓水力壓裂等方式切割頂板，其中爆破切頂利用炸藥起爆后產(chǎn)生的高溫高壓爆轟能量按照預定方向?qū)γ簬r體拉裂-切斷；水力壓裂技術(shù)是指在鉆孔壓裂段采用切槽鉆頭預制裂縫，從而控制水力壓裂裂紋擴展方向[1-4]。切頂卸壓解決了工作面端頭懸頂、中部懸頂、沖擊地壓巷道、臨空巷道大變形等應力集中難題[5-7]。何滿潮等通過聚能爆破對頂板進行切縫，改變巖體間的應力傳遞路徑，進而改變巖層結(jié)構(gòu)形態(tài)和應力分布區(qū)域；黃炳香等提出定向水力割縫致裂方法，實現(xiàn)圍巖弱化、應力轉(zhuǎn)移、誘導礦壓破煤等功能；鄧廣哲將堅硬煤層水力致裂技術(shù)和煤礦放頂煤開采結(jié)合，在兗州礦業(yè)集團、陜西焦坪礦區(qū)等礦區(qū)開展工業(yè)試驗；劉洪等針對堅硬厚頂板提出定向水力壓裂留巷卸壓技術(shù)，轉(zhuǎn)移護巷煤柱上的高采動應力，改善留巷的應力狀態(tài)；付強等開展壓裂弱化煤層上覆堅硬基本頂?shù)默F(xiàn)場試驗，分析水力壓裂前后周期來壓步距、動載系數(shù)、頂板下沉量、兩幫移近量及煤壁片幫統(tǒng)計；萬志軍等利用數(shù)值模擬方法研究了鉆孔卸壓的作用機理、巷道圍巖動態(tài)損傷破壞發(fā)展和應力場重新分布的動態(tài)過程。神東礦區(qū)開展頂板巖層水力壓裂控制技術(shù)研究，成功進行了常規(guī)淺孔(≤150 m)水力壓裂和定向長鉆孔(≥300 m)水力壓裂工業(yè)試驗。

1 寧東礦區(qū)煤巖致裂需求及適用技術(shù)分析

根據(jù)寧東礦區(qū)煤炭資源賦存及開采技術(shù)條件，可以將卸壓技術(shù)大致分成4類[8-12]，從而有針對性地根據(jù)需求選擇合理的卸壓技術(shù)與方案。

(1)工作面頂板初放需求。頂板爆破卸壓技術(shù)針對堅硬煤層頂板初次放頂采用爆破致裂技術(shù)，對工作面煤層頂板完整性進行人為干預破壞，從而實現(xiàn)工作面頂板在一定范圍內(nèi)垮落，完成工作面采空區(qū)頂板初次垮落。

(2)工作面煤巖體卸壓控災需求。煤巖體鉆孔卸壓控災技術(shù)主要通過大直徑鉆孔卸壓措施，降低巖體彈性能聚集及懸頂對區(qū)段煤柱施加的靜載荷。

(3)無煤柱沿空切頂留巷需求。切頂卸壓成巷技術(shù)主要用于沿空留巷切頂卸壓、礦井采面堅硬頂板切頂、變形維修巷道卸壓、沖擊地壓巷道卸壓等。

(4)工作面頂板超前預裂控制需求。水壓致裂卸壓技術(shù)主要通過水力壓裂破壞頂板完整性，進而削弱頂板的強度和整體性，使采空區(qū)頂板能夠及時垮落，縮短懸頂距離和時間，緩解由于回采造成巷道圍巖支承壓力升高對巷道穩(wěn)定性的影響。

2 頂板爆破卸壓技術(shù)實踐

對工作面采空區(qū)懸頂進行預裂，一方面降低懸頂對區(qū)段煤柱施加的靜載荷，另一方面減小工作面懸頂破斷時產(chǎn)生的礦震能量。按照施工區(qū)域，劃分為工作面內(nèi)部和煤柱側(cè)區(qū)域。

2.1 工作面內(nèi)部采取深孔爆破

金家渠煤礦110302工作面煤層傾角36°～40°，采高3.68 m，回采3號煤層，結(jié)構(gòu)簡單，屬穩(wěn)定煤層；3號煤層基本頂為中粒砂巖，平均厚度28 m，屬堅硬頂板；直接頂為粗砂巖，平均厚度6 m，鈣質(zhì)膠結(jié)，較堅硬。為便于初采期間頂板垮落，工作面推進3個步距后，在采空區(qū)側(cè)采取爆破工藝進行強制放頂。采用KHYD-155型巖石鉆機由上向下分4組施工爆破鉆孔，11～140號支架段每5臺支架布置1組鉆孔，鉆孔直徑78 mm，眼深分別為6、15 m，共計26組、52個鉆孔，鉆孔間距4.5 m，仰角為35°，方位角為95°；將3卷乳化炸藥用透明膠帶捆綁，制成長600 mm、直徑69 mm、質(zhì)量1.8 kg超長藥卷；1號炮眼孔深15 m，裝藥量為30 kg，炮眼封泥長度≥5 m，2號炮眼孔深6 m，裝藥量為12 kg，炮眼封泥長度≥2 m，如圖1所示。

圖1 工作面內(nèi)部爆破鉆孔

通過施工26組爆破鉆孔，提前破壞采空區(qū)側(cè)堅硬頂板，減小了采空區(qū)側(cè)基本頂懸頂面積，基本頂及時破斷，保證了采場支架的穩(wěn)定性。

2.2 煤柱側(cè)區(qū)域?qū)嵤┥羁妆?/p>

羊場灣煤礦160203工作面設計走向長1 292 m，傾斜長295 m，回采2號煤層，煤層厚度7.91～8.26 m，開采深度520～620 m，煤層傾角12°，煤層上覆平均厚度23 m和48 m的砂巖巖層，這兩層巖層在破斷前將積聚大量彈性能[13]。超前工作面每隔20 m布置1個鉆場，每個鉆場施工3個鉆孔，孔徑為75 mm，孔深分別為45、48、50 m，孔口距巷幫1 m。3個鉆孔垂直于巷道走向，仰角分別為40°、55°、75°，各孔裝藥量60～80 kg，封孔長度≥15 m，如圖2所示。羊場灣煤礦130606工作面采用頂板深孔預裂技術(shù)進行礦壓治理，效果顯著。

圖2 煤柱側(cè)區(qū)域爆破鉆孔

3 煤巖體鉆孔卸壓工程實踐

鉆孔卸壓通過施工大直徑鉆孔的方法消除或減小巷道圍巖變形破壞。在高應力煤體內(nèi)施工大直徑鉆孔時，受到高應力作用，單個鉆孔周圍煤巖體內(nèi)形成一定范圍破碎區(qū)，多個鉆孔形成的破碎區(qū)互相貫通，形成卸壓區(qū)，卸壓原理如圖3(a)所示。羊場灣煤礦160203工作面回風巷幫部大直徑鉆孔卸壓參數(shù)：鉆孔直徑100 mm或150 mm，孔間距1.0 m，孔深20 m，距巷道底板1.2 m，垂直煤壁，平行于煤層方向，鉆孔布置如圖3(b)所示。

圖3 煤體卸壓鉆孔

回風巷幫部爆破鉆孔參數(shù)如圖4所示，采用風鉆、麻花鉆桿+Φ42 mm鉆頭施工，孔口距底板1.2 m左右，鉆孔間距5 m，孔深15 m，單排布置，炮眼平行于煤層方向、垂直于巷幫。每孔裝藥量3～4 kg，封孔長度≥5 m。連線方式為孔內(nèi)并聯(lián)，孔間串聯(lián)，一次爆破1～2孔。爆破順序從工作面向外進行，使高應力區(qū)域向巷外轉(zhuǎn)移。

圖4 煤幫爆破鉆孔布置

采用煤幫大直徑鉆孔卸壓+煤幫爆破鉆孔卸壓，工作面超前區(qū)域的回風巷變形減小1～2 m，緊鄰工作面上端頭的回風巷高度也控制在2 m以上。

4 切頂卸壓成巷技術(shù)

預裂切縫技術(shù)其切頂預裂效果取決于切頂爆破參數(shù)、切頂高度、切縫角度、爆破孔間距以及單孔定向爆破半徑等。切頂卸壓成巷開采，主要在運輸巷采空區(qū)側(cè)采用爆破技術(shù)進行定向預裂，減小采空區(qū)頂板懸臂梁長度，切斷頂板的應力傳遞，減小采動壓力對預留巷道的影響。工作面回采后，頂板沿預裂面垮落形成預留巷道幫部圍巖，從而形成預留巷道[14-15]。金鳳煤礦011810工作面埋深214.06～328.90 m，煤層傾角平均13°，煤層厚3.3～4.2 m，平均煤厚3.75 m，一次采全高，011810工作面機巷留巷后作為011812工作面風巷使用。

4.1 頂板預裂切縫設計

切縫設計采用雙向聚能爆破預裂技術(shù)，將特定規(guī)格的炸藥裝在2個設定方向有聚能效應的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓，而在設定方向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設定方向拉裂成型，從而實現(xiàn)被爆破體按設定方向張拉斷裂成型。

預裂切縫深度H縫臨界設計公式如下：

(1)

式中：H縫——預裂切縫深度，m；

H煤——巷道側(cè)煤層厚度，m；

ΔH1——頂板下沉量，m；

ΔH2——底臌量，m；

K——碎脹系數(shù)，1.3～1.5，本次K取1.38。

在不考慮巷道底臌及頂板下沉的情況下，011810工作面機巷側(cè)采高取3.8 m，綜合評估計算結(jié)果及頂?shù)装鍘r性情況，預裂切縫孔深度設計為10 m。切縫孔距巷道正幫200 mm，機巷側(cè)切縫線與鉛垂線夾角為20°/5°，切縫孔間距均為500 mm。機巷切縫支護參數(shù)布置如圖5所示。

圖5 機巷切縫支護參數(shù)布置

4.2 恒阻大變形錨索支護方案

為保證巷道的穩(wěn)定性，預裂切頂前采用恒阻大變形錨索加強支護，共布設3列，切縫側(cè)排距1 000 mm，恒阻錨索距巷幫500 mm，與水平面夾角90°，該列恒阻錨索施工時加設W鋼帶；巷中布設一列恒阻錨索排距1 500 mm，與水平面夾角90°；實體煤側(cè)距實體煤幫500 mm布設一列，與鉛垂線夾角10°，排距3 000 mm。根據(jù)切縫參數(shù)及巷道頂板穩(wěn)定巖層位置，恒阻大變形錨索直徑取為21.8 mm，錨索長度取12.3 m，恒阻器長500 mm，外徑79 mm，恒阻值為33±2 t，錨索與巷道頂板垂直，預緊力≥28 t。

采用“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”方案，通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預裂爆破能夠很好地保護巷道頂板完整性。利用恒阻大變形錨索進行加強支護，控制頂板下沉，使所留巷道圍巖能夠最大限度地發(fā)揮自身承載作用，減少巷道變形，保證了留巷效果。

5 水壓致裂卸壓技術(shù)

在堅硬頂板工作面回采前，使用特制鉆頭對試驗孔橫向?qū)嵤┣胁酃に?，完成后將切槽部位封閉，進行高壓注水使橫向切槽的端部產(chǎn)生裂隙，持續(xù)加壓注水后使裂隙沿巖層向外逐步擴展，使上覆巖層堅硬頂板形成的懸臂梁及時斷裂垮落，弱化側(cè)向支承壓力對煤柱的作用。梅花井煤礦111801工作面煤層為結(jié)構(gòu)簡單的中厚-厚煤層，煤層傾角22.9°～29.0°，由于工作面頂板完整，在回采過程中上下端頭區(qū)域采空區(qū)側(cè)頂板冒落不充分，局部懸頂面積過大，為保證安全回采，采取水壓預裂的方式提前切裂超前段頂板。在回風巷上幫肩窩處、運輸巷下幫肩窩處各施工2排水壓預裂鉆孔，下排水壓預裂鉆孔距離底板2 m，2排鉆孔在豎直方向上相距500 mm。第1排第1個鉆孔位于超前工作面煤壁10.0 m處，其余鉆孔以5 m間隔依次向巷口方向施工，第2排第1個鉆孔位于超前工作面煤壁12.5 m處，其余鉆孔以5 m間隔依次向巷口方向施工。2排鉆孔三花布置。鉆孔孔徑均為43 mm，孔深均為15 m，垂直于底板方向，水壓預裂鉆孔施工方向：豎直方向上偏向采空區(qū)2°，垂直于巷幫方向；水平方向上偏向采空區(qū)25°?；仫L巷水壓預裂鉆孔三視圖見圖6。

圖6 回風巷水壓預裂鉆孔三視圖

鉆孔完成后，向孔內(nèi)安裝5 m長型號為KJ10的高壓膠管，膠管末端安裝壓力表及截止閥，最后使用馬麗散進行封孔，封孔長度3 m。當壓力表讀數(shù)達到峰值并持續(xù)一段時間后，壓力表數(shù)據(jù)開始下降，表示該孔注水結(jié)束。早班施工水壓預裂鉆孔后使用馬麗散及時封孔，次日早班對2排封孔的鉆孔進行注水預裂，一次預裂走向長度20 m，在施工過程中必須單孔逐個注水。以采空區(qū)頂板冒落情況作為評價指標判定，水壓致裂后的采空區(qū)頂板冒落情況良好，較為密實，無懸頂情況發(fā)生；回風巷水壓預裂后，采空區(qū)頂板冒落情況較施工前明顯改善。

6 結(jié)語

(1)根據(jù)寧東礦區(qū)煤炭資源賦存及開采技術(shù)條件，將卸壓技術(shù)分成4類，從而有針對性地根據(jù)需求選擇合理的卸壓技術(shù)與方案。

(2)頂板爆破卸壓技術(shù)按施工層位，分為工作面內(nèi)部及煤柱側(cè)區(qū)域，金家渠煤礦針對基本頂不能及時垮落、懸頂面積大，采用巖石鉆機施工爆破鉆孔破壞頂板完整性；羊場灣煤礦采用煤幫大直徑鉆孔+爆破鉆孔卸壓和工作面?zhèn)软敯迳羁最A裂技術(shù)，降低懸頂對區(qū)段煤柱的載荷，減小其破斷時產(chǎn)生的礦震能量。

(3)梅花井煤礦針對工作面回采過程中上下端頭區(qū)域采空區(qū)頂板冒落不充分，局部懸頂面積過大，采取水壓預裂的方式對回風巷、運輸巷切裂超前段頂板。

(4)金鳳煤礦采用切頂卸壓自動成巷無煤柱開采方案，采用聚能管定向爆破技術(shù)在巷道軸向靠近工作面?zhèn)瘸邦A裂頂板，切落的頂板巖體形成巷幫，實現(xiàn)了留巷卸壓。