寺河煤礦薄煤層綜采面堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)研究

原少宏

(晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司 寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048019)

井工開采作為我國(guó)煤礦最主要的開采方式，分析頂板條件并對(duì)其進(jìn)行合理控制是減少頂板事故發(fā)生、保證安全高效開采的重要舉措之一[1]。綜采工作面的頂板處理方式大多為全部垮落法，但當(dāng)頂板強(qiáng)度較大，完整性較好且煤層較薄時(shí)，容易造成采空區(qū)后方大面積懸頂[2]，從而導(dǎo)致一次垮落面積大，來(lái)壓劇烈，尤其是工作面初采時(shí)期，易誘發(fā)礦山壓力災(zāi)害。根據(jù)以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提前劣化堅(jiān)硬頂板巖層有助于采空區(qū)及時(shí)垮落，在一定程度上降低綜采工作面煤巖體應(yīng)力水平，從而對(duì)礦山壓力災(zāi)害進(jìn)行有效防治?；诖耍运潞用旱V94316綜采工作面堅(jiān)硬頂板巖層為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析不同的工作面頂板控制機(jī)理，選取合適的巖層預(yù)裂技術(shù)，對(duì)堅(jiān)硬頂板不同位置進(jìn)行弱化，破壞其完整性，以便減少工作面懸頂面積，降低來(lái)壓步距，提高頂板控制水平，保證工作面安全開采[3-4]。

1 地質(zhì)條件

寺河煤礦94316綜采工作面東為九四西盤區(qū)大巷、南為已經(jīng)回采的94315工作面、東西均為實(shí)體煤，上部3號(hào)煤為寺河礦2306、2307工作面采空區(qū)及其煤柱，如圖1所示。直接頂為致密粉砂巖，節(jié)理不發(fā)育；基本頂為石英為主的致密細(xì)砂巖，普氏硬度系數(shù)為6，屬于堅(jiān)硬頂板。94315工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)度為133.5 m，走向長(zhǎng)度為1 540 m.工作面平均采高1.45 m.工作面煤層傾角2～13°，平均傾角3°，煤層賦存總體較穩(wěn)定，變化不大。本工作面為綜合機(jī)械化采煤工作面，即使用采煤機(jī)落煤、裝煤，刮板輸送機(jī)裝煤、運(yùn)煤，液壓支架支護(hù)工作面頂板，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。工作面采高為1.3～1.6 m，平均采高1.45 m，循環(huán)進(jìn)度0.63 m.

圖1 94316綜采工作面位置示意

2 堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)

針對(duì)堅(jiān)硬頂板采空區(qū)懸頂問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究和實(shí)踐。目前常用的堅(jiān)硬頂板預(yù)裂技術(shù)主要有深孔預(yù)裂爆破技術(shù)和深孔頂板定向水壓致裂技術(shù)。兩種堅(jiān)硬頂板劣化方法有各自的適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，分析劣化機(jī)理并結(jié)合頂板巖層特征，選取合適合理的有效控制技術(shù)是解決大面積懸頂問(wèn)題的關(guān)鍵手段。

2.1 深孔預(yù)裂爆破劣化技術(shù)機(jī)理

堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的劣化原理，是針對(duì)影響礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的堅(jiān)硬巖層，確定其中下部應(yīng)力集中區(qū)位置后，通過(guò)鉆孔裝藥，利用爆破產(chǎn)生的高強(qiáng)度瞬時(shí)載荷以及高溫高壓高速氣體的沖擊作用和熱交換引起的彈拉伸作用，對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化破壞。爆破發(fā)生后，未在設(shè)定預(yù)裂方向位置的巖體均勻受壓，而在設(shè)定預(yù)裂方向上的巖體則受到極大的瞬時(shí)牽拉作用，同時(shí)巖體本身具備受拉不受壓的顯著特征，在爆破孔周圍由內(nèi)而外依次形成極度破碎區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)和震動(dòng)偏移區(qū)，其中發(fā)生的能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)移也對(duì)頂板巖體造成弱化損壞。此外，相鄰爆孔之間裂隙的貫通，形成頂板巖層結(jié)構(gòu)破壞損傷面，加之頂板巖層自重在結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)的影響下，沿設(shè)定預(yù)裂方向位置發(fā)生彎曲破斷，降低兩側(cè)煤體對(duì)懸空頂板的擠壓支撐作用，對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行合理控制，破壞頂板發(fā)生大面積垮落的應(yīng)力條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)礦壓災(zāi)害防治。

2.2 定向水壓致裂劣化技術(shù)機(jī)理

解決煤層上方堅(jiān)硬頂板難以垮落的另外一個(gè)主要手段為深孔頂板定向水壓致裂劣化技術(shù)，其基本原理是利用高壓水力作用使巖層結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而降低頂板完整性，實(shí)現(xiàn)工作面堅(jiān)硬頂板劣化。深孔頂板定向水壓致裂劣化技術(shù)主要通過(guò)向鉆孔內(nèi)注入高壓水，當(dāng)注水壓強(qiáng)超過(guò)巖體的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，鉆孔壁四周會(huì)發(fā)生破裂現(xiàn)象，產(chǎn)生裂隙。由于地下巖體中存在大量的黏土礦物，遇水極易出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，高壓水隨著鉆孔壁裂隙不斷滲透，使巖體內(nèi)部出現(xiàn)粘結(jié)力降低、強(qiáng)度下降等現(xiàn)象。同時(shí)，在高壓水作用下，鉆孔裂隙內(nèi)部的巖石顆粒不斷摩擦以及裂隙弱面的正壓力分布不均，導(dǎo)致節(jié)理裂隙進(jìn)一步出現(xiàn)延伸和擴(kuò)展。隨著高壓水的不斷注入，當(dāng)相鄰壓裂孔裂隙不斷延伸至貫通時(shí)，泵壓停止上升，堅(jiān)硬頂板巖層完整性得到劣化破壞。

2.3 堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)對(duì)比分析

兩種薄煤層綜采面堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，定向預(yù)裂爆破技術(shù)具備施工操作簡(jiǎn)單、預(yù)裂效果好、材料費(fèi)用低等一系列優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)定向爆破所產(chǎn)生的集中拉應(yīng)力可以使頂板巖層出現(xiàn)良好的斷裂效果。此外，通過(guò)聚能管的保護(hù)作用還能避免炮孔周邊巖體受到爆破作用的劇烈影響。但是，深孔預(yù)裂爆破劣化技術(shù)也存在裝藥時(shí)間長(zhǎng)、炮泥封孔困難、易導(dǎo)致CO超限等施工技術(shù)難題。其次，由于殘炮、拒炮等情況處理難度大，一旦發(fā)生則會(huì)對(duì)工作面的安全高效生產(chǎn)造成巨大負(fù)擔(dān)。此外，在特殊時(shí)期，火工品的非及時(shí)供應(yīng)也是定向爆破預(yù)裂切縫技術(shù)應(yīng)用的重大局限之一。

定向水壓致裂劣化技術(shù)利用水對(duì)巖體的多重弱化作用，具備施工簡(jiǎn)單、成本低、綠色環(huán)保并且對(duì)開采影響小的特點(diǎn)。在高水壓及滲透作用下，通過(guò)破壞堅(jiān)硬頂板巖層的整體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)，從而使頂板裂隙發(fā)育貫通，破壞頂板完整性，達(dá)到堅(jiān)硬頂板的劣化效果，具備很強(qiáng)的可操作性和推廣前景。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 定向水壓致裂劣化技術(shù)應(yīng)用

通過(guò)上述對(duì)比分析，確定在寺河煤礦94316綜采工作面采用定向水壓致裂技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行劣化，避免大面積垮落引發(fā)的礦山壓力事故。在超前采動(dòng)應(yīng)力影響范圍以外，確定堅(jiān)硬頂板定向水壓致裂劣化技術(shù)參數(shù)需根據(jù)礦井地應(yīng)力的大小、方向以及懸頂?shù)暮穸?、長(zhǎng)度，并對(duì)工作面巷道對(duì)上覆堅(jiān)硬巖層進(jìn)行打鉆，利用鉆孔窺視技術(shù)對(duì)預(yù)致裂劣化段頂板完整性進(jìn)行觀測(cè)評(píng)估，同時(shí)結(jié)合頂板結(jié)構(gòu)和巖性，設(shè)計(jì)定向水壓致裂劣化實(shí)施方案，具體技術(shù)參數(shù)如下：

1) 水壓致裂鉆孔布置原則。沿開切眼布置一排定向水壓致裂鉆孔，鉆孔間距設(shè)定為15 m，鉆孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為15 m，垂直深度為15 m，鉆孔與豎直方向的夾角為30°.定向水壓致裂鉆孔從距離工作面幫部0.5 m處施工，如圖2所示。寺河煤礦94316綜采工作面為129.3 m，共布置9個(gè)水壓致裂鉆孔。

圖2 定向水壓致裂鉆孔布置圖(m)

2) 具體參數(shù)與施工工藝。通過(guò)對(duì)94316綜采工作面頂板特征進(jìn)行分析判斷，確定定向水壓致裂劣化的泵壓范圍為35～65 MPa，注水時(shí)長(zhǎng)預(yù)計(jì)為10～30 min.通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果反饋，形成水壓致裂施工工藝如下：①設(shè)備安裝，將注水鋼管連接至封孔器，檢查密閉性后推送至預(yù)定水壓致裂鉆孔位置。②檢查壓力泵的保壓情況，確保封孔器在額定壓力下保持正常工作狀態(tài)。③做好安全標(biāo)識(shí)提醒，在距離施工鉆孔25 m處設(shè)置提示警告牌，壓裂期間20 m范圍內(nèi)禁止人員進(jìn)入，操作人員須做好安全防護(hù)工作，在距離定壓壓裂鉆孔20 m外完成相關(guān)操作。④開始水力致裂，打開高壓水泵，緩慢加壓，同時(shí)注意觀察壓力表。當(dāng)預(yù)壓裂縫出現(xiàn)破裂，壓力指數(shù)突然降低時(shí)，進(jìn)行保壓操作，促使節(jié)理裂隙進(jìn)一步向外擴(kuò)展發(fā)育。⑤結(jié)束水力致裂，關(guān)閉高壓水泵，封孔器卸壓，并檢查儀器設(shè)備外觀是否正常。

3) 定向水壓致裂施工情況。94316綜采工作面開切眼共布置9個(gè)水力致裂鉆孔，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，得到注水時(shí)間在1～27 min之間，最高水壓在36～55 MPa之間，穩(wěn)定水壓在20～42 MPa之間。堅(jiān)硬頂板定向水壓致裂劣化施工情況如表1所示。

表1 定向水壓致裂施工情況

對(duì)94316綜采工作面2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、8號(hào)鉆孔的定向水壓致裂效果進(jìn)行了觀測(cè)，水壓致裂裂隙擴(kuò)展影響為12～16 m，裂隙擴(kuò)展影響范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度較高，頂板巖層劣化嚴(yán)重，定向水壓致裂施工效果較好。

3.2 頂板劣化效果分析

94316綜采工作面開采初期使用定向水壓致裂劣化頂板技術(shù)，有效避免了堅(jiān)硬頂板難垮落和大面積垮落問(wèn)題，切斷了頂板應(yīng)力傳遞路徑，實(shí)現(xiàn)了薄煤層工作面堅(jiān)硬頂板的有效控制。通過(guò)觀測(cè)記錄液壓支架在回采期間定向水壓致裂前后的工作阻力(圖3)，分析水壓致裂頂板劣化效果。

圖3 水壓致裂前后支架工作阻力

由圖3可知，在進(jìn)行水壓致裂前，液壓支架的最大工作阻力達(dá)6 900 kN，已經(jīng)超出了支架的額定工作載荷，存在壓架風(fēng)險(xiǎn)，且大部分支架工作阻力長(zhǎng)期保持在6 500 kN以上。而采用水壓致裂使頂板劣化以后，液壓支架在一個(gè)周期內(nèi)的最大工作阻力為5 400 kN，降低21.7%，此時(shí)工作面全部支架處于正常狀態(tài)，工作阻力富裕較多。此外，由圖4可知，工作面進(jìn)行頂板劣化施工后，基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓步距大幅降低，約為原來(lái)的56.4%.

圖4 頂板劣化后支架工作阻力

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)94316工作面堅(jiān)硬頂板巖層特征進(jìn)行分析判斷，比較現(xiàn)階段主要的兩種頂板預(yù)裂手段，選取深孔頂板定向水壓致裂技術(shù)開展工作面頂板劣化作業(yè)?；诠ぷ髅鎽?yīng)力和懸頂狀況，設(shè)計(jì)水壓致裂技術(shù)方案和施工工藝。通過(guò)分析壓裂施工前后的支架工作阻力情況可知，深孔頂板定向水壓致裂技術(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板劣化效果較好。