長春興煤礦22601工作面切頂卸壓技術(shù)研究

戎 鵬

(山煤國際能源集團(tuán)股份有限公司，山西 太原 030006)

頂板事故嚴(yán)重影響著煤礦井下工作面的安全生產(chǎn)，尤其是厚煤層堅(jiān)硬頂板條件下更易發(fā)生冒頂事故。支柱、支架損壞嚴(yán)重，產(chǎn)量低，效率低，沖擊地壓頻繁，煤炭回收率低，大面積頂板瞬時(shí)垮落和基本頂強(qiáng)烈初次來壓和周期來壓等嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。堅(jiān)硬頂板問題是煤企長期以來一直致力于解決而又難以解決的問題，為了有效避免長春興煤礦22601工作面堅(jiān)硬頂板懸頂風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)具體工作面條件進(jìn)行切頂卸壓技術(shù)研究。

1 工作面概況

長春興煤礦位于山西省大同市左云縣，22601工作面所采煤層為22號(hào)煤層，工作面煤層平均厚12.47 m，含3～4層夾矸。工作面東部為南延盤區(qū)大巷二段，南部為礦井南部礦界，西部為礦井西部礦界，北部為設(shè)計(jì)南盤區(qū)西南部未開采區(qū)域。工作面頂?shù)装鍘r層巖性如表1所示。

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

為了進(jìn)一步探明22601工作面覆巖情況，在切眼前方，從回風(fēng)巷施工了取芯孔，探測頂板垂高40 m范圍內(nèi)巖層分布，得到切眼附近頂板真實(shí)情況，頂板40 m內(nèi)取芯率較高，部分巖芯長度達(dá)到或者超過1 m，且從巖性來看，頂板40 m基本為同一巖性。綜合分析可知，22601工作面初采區(qū)域頂板為1層厚度為40 m的堅(jiān)硬砂巖。結(jié)合22601工作面覆巖情況，根據(jù)相鄰工作面開采經(jīng)驗(yàn)，分析得到22601工作面基本頂初次來壓步距為131.2 m.周期性破斷步距為24.6 m.

2 切頂卸壓技術(shù)研究

2.1 頂板預(yù)裂方式選擇

目前我國頂板預(yù)裂方式主要為炸藥爆破及水力預(yù)裂兩種工藝，基于各工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮長春興煤礦現(xiàn)狀，認(rèn)為長春興煤礦應(yīng)采取水力預(yù)裂方式作為頂板的主要弱化措施。首先選取高壓水力預(yù)裂工藝在井下進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，在實(shí)踐過程中，總結(jié)完善適用于22號(hào)煤南盤區(qū)生產(chǎn)地質(zhì)條件的水力預(yù)裂工藝參數(shù)，以有效緩解堅(jiān)硬頂板帶來的頂板問題。

2.2 水壓預(yù)裂頂板治理方案

治理措施實(shí)施區(qū)域包括切眼及巷道兩個(gè)部位，具體方案如圖1所示，其中切眼包括兩組鉆孔，分別標(biāo)記為③及④；巷道包括兩組鉆孔，分別標(biāo)記為①及②。

1) 切眼處理措施。整個(gè)切眼的頂板處理工程根據(jù)圖1(d)、(e)方案布置兩組預(yù)裂孔，采用高低位孔交叉布置進(jìn)行預(yù)裂，具體如下：首先，整個(gè)切眼均勻布置鉆孔，鉆孔垂直于煤壁，孔間距為10 m，高低孔交叉布置； 其次，第一組為低位孔③，仰角37°，鉆孔深34 m，終孔位置位于煤層上部11 m砂巖處； 最后，第二組為高位孔④，仰角53°，鉆孔深32 m，終孔位置位于煤層上部16 m砂巖處。

2) 巷道處理措施。22601 面及后續(xù)面巷道需持續(xù)布置長短孔預(yù)裂頂板，預(yù)裂位置超前采場一段距離，根據(jù)圖1(b)、(c)方案施工兩組預(yù)裂孔，具體如下：首先，第一組為長孔①，仰角37°，鉆孔深50 m，孔間距10 m，鉆孔與煤壁垂直，終孔位置位于煤層上部21 m砂巖處；其次，第二組為短孔②，仰角53°，鉆孔深34 m，孔間距20 m，鉆孔與巷道夾角10°，終孔位置位于煤層上部18.2 m砂巖處；最后，運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷均勻布置，方案一致，若打孔速度跟不上推進(jìn)速度時(shí)，運(yùn)輸巷短孔④可以不打。

2.3 施工工藝要求

采用試驗(yàn)段預(yù)裂流程進(jìn)行施工。具體施工要求如下：

1) 切眼施工水力預(yù)裂工藝時(shí)，兩組鉆孔每個(gè)鉆孔預(yù)裂2次，在巖層中10 m預(yù)裂1次，煤層不預(yù)裂，每次注水壓力不小于40 MPa；

2) 巷道施工水力預(yù)裂工藝時(shí)，第一組長孔③每個(gè)鉆孔預(yù)裂5次，其中巖層每9 m預(yù)裂1次，煤層預(yù)裂1次。巖層注水壓力不小于40 MPa，煤層的注水壓力按10～12 MPa考慮；第二組短孔④每個(gè)鉆孔預(yù)裂2次，在巖層中10 m預(yù)裂1次，煤層不預(yù)裂，每次注水壓力不小于40 MPa；

3) 當(dāng)采用雙封孔器推不到孔底時(shí)，最里一段采用單封孔器在孔底進(jìn)行1次預(yù)裂，隨后采用雙封孔器繼續(xù)預(yù)裂；

4) 根據(jù)現(xiàn)場預(yù)裂情況可及時(shí)調(diào)整預(yù)裂位置和預(yù)裂次數(shù)，預(yù)裂時(shí)觀察預(yù)裂處巷道及錨桿、錨索情況，出現(xiàn)變形或錨桿(索)斷裂的情況時(shí)立即停止預(yù)裂，并調(diào)整預(yù)裂方式；

5) 水力預(yù)裂技術(shù)要求完成鉆孔的軸線近似為一條直線，要求在鉆進(jìn)過程中盡量降低鉆進(jìn)速度，減小鉆機(jī)進(jìn)給力，保證鉆孔的直線性；

6) 預(yù)裂結(jié)束后，首先通過注水管進(jìn)行鉆孔放水，鉆孔放水時(shí)間為預(yù)裂時(shí)間的1.5～2倍，待放水徹底后方可為封孔器卸壓，嚴(yán)禁在放水徹底前進(jìn)行封孔器卸壓。

3 工程實(shí)踐

3.1 預(yù)裂效果分析

1) 周期來壓。工作面在120～300 m推進(jìn)范圍內(nèi)，水壓預(yù)裂后工作面頭部、中部、尾部支架阻力變化情況如圖2所示，圖中橫坐標(biāo)為支架號(hào)，縱坐標(biāo)為工作面推進(jìn)度，方框內(nèi)圈定區(qū)域?yàn)閬韷撼掷m(xù)情況。綜合分析可以看出，截止22601工作面推進(jìn)至300 m進(jìn)尺，基于支架阻力統(tǒng)計(jì)得到工作面共發(fā)生10次周期來壓，如圖2及表2所示，可以看出周期來壓步距主要介于17～23 m之間，平均周期來壓18.9 m.來壓持續(xù)長度為3.5～6.5 m，動(dòng)載系數(shù)為1.27～1.43，周期來壓強(qiáng)度降低；工作面在推進(jìn)至213～225 m見方區(qū)域時(shí)支架呈現(xiàn)大范圍來壓現(xiàn)象，這屬于見方區(qū)域誘發(fā)的強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)，與前期預(yù)測基本一致；此外，結(jié)合圖2所示，246～300 m推進(jìn)度范圍內(nèi)來壓強(qiáng)度相比之前減弱，這說明巷道預(yù)裂措施提前破壞了頂板的完整性，促進(jìn)了頂板的及時(shí)破斷、弱化了頂板來壓強(qiáng)度。

圖2 預(yù)裂后支架礦壓情況

表2 工作面來壓情況統(tǒng)計(jì)

2) 初次來壓。在工作面正式回采前對(duì)切眼進(jìn)行水壓預(yù)裂頂板，預(yù)裂后推進(jìn)9 m(切眼寬9 m)時(shí)，頂煤開始局部垮落，工作面推進(jìn)16 m時(shí)工作面大部可見頂板巖石垮落，工作面開始正常放煤，工作面推進(jìn)25.8 m時(shí)工作面上下兩端頭垮落；推進(jìn)至29 m時(shí)頂板開始初次來壓，來壓范圍為40～120號(hào)支架，部分安全閥開啟，局部采高3.2 m，推進(jìn)至34 m時(shí)來壓結(jié)束，來壓持續(xù)長度5 m，工作面初次來壓結(jié)束。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

長春興煤礦的22601工作面采用切頂卸壓技術(shù)提高了頂煤的回收率，根據(jù)以往的工作面回采經(jīng)驗(yàn)，工作面推進(jìn)30～50 m頂煤垮落開始放煤，按平均取40 m計(jì)算，本次的初采可多回收煤量：(40-16)×(230-10)×(12-3.5)×1.4×85%=53 407 t，按原煤850元/t計(jì)算，可產(chǎn)生45 395 950元，約4 540萬元。

4 結(jié) 語

通過22601工作面切頂卸壓實(shí)施后觀察礦壓規(guī)律可知，初次來壓前預(yù)裂方案的實(shí)施對(duì)堅(jiān)硬頂板產(chǎn)生了預(yù)裂及弱化作用，工作面采場頂板實(shí)現(xiàn)了分層垮落，達(dá)到了局部斷裂的目的，破壞了采空區(qū)頂板的完整性，避免了工作面后方頂板整體垮落的風(fēng)險(xiǎn)。將理論的初次來壓步距132 m縮短至34 m，說明預(yù)裂達(dá)到了頂板分層分段來壓，避免了大面積突然來壓的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了頂板安全管理。正?；夭善陂g采取的巷道預(yù)裂頂板措施，在一定程度上促進(jìn)了頂板的破斷，有助于控制采場礦壓。