回采面采空區(qū)懸頂膨脹致裂切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用

張洪鵬

（霍州煤電集團(tuán)晉北能化有限責(zé)任公司，山西 靜樂 035000）

煤炭作為我國重要的工業(yè)原料及基礎(chǔ)能源，其產(chǎn)量直接關(guān)系著我國能源安全。隨著我國對(duì)煤礦資源的不斷開采，賦存條件較為簡單的煤層已經(jīng)逐漸開采完畢，目前開采的重點(diǎn)逐步向著賦存條件較為復(fù)雜的煤層轉(zhuǎn)移。堅(jiān)硬頂板是指在礦井回采工作面開采過程中，由于煤層頂板巖性較為堅(jiān)硬，煤層頂板巖層無法隨采隨落，使得工作面采空區(qū)出現(xiàn)大面積懸頂［1-2］。大面積懸頂不僅威脅著礦井的正常生產(chǎn)，同時(shí)會(huì)造成巷道支護(hù)困難［3-4］。為了解決回采工作面采空區(qū)堅(jiān)硬頂板端頭大面積懸頂問題，擬以晉北煤業(yè)3208工作面為應(yīng)用背景，對(duì)采空區(qū)堅(jiān)硬頂板靜態(tài)膨脹致裂技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行初步探討，為煤礦回采工作面采空區(qū)堅(jiān)硬頂板的大面積懸頂治理進(jìn)行探索。

1 工程概況

23208工作面整體為單斜構(gòu)造，工作面煤層走向N13°W～N8°E，傾向SW～NW。根據(jù)掘進(jìn)期間實(shí)際揭露情況分析，工作面煤層平均傾角25°，平均厚度14.77 m。煤層位于石炭系太原組中下部，穩(wěn)定可采，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～3層不穩(wěn)定夾矸，為1/3焦煤。巷道頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 巷道頂?shù)装迩闆r

2 模擬分析

膨脹致裂是一種通過膨脹產(chǎn)生的力破裂巖體的技術(shù)。在堅(jiān)硬頂板上定距離布置鉆孔，將膨脹劑填充至鉆孔內(nèi)部，通過水化熱反應(yīng)，使得膨脹劑快速膨脹；此時(shí)由于鉆孔內(nèi)部密閉，使得鉆孔內(nèi)能量快速聚集，當(dāng)鉆孔內(nèi)部能量大于巖體的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，巖石發(fā)生破裂，產(chǎn)生裂縫，達(dá)到堅(jiān)硬頂板致裂的目的。

為驗(yàn)證膨脹致裂技術(shù)的可行性，擬利用3DEC軟件對(duì)膨脹致裂技術(shù)可行性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。建立數(shù)值模擬模型，根據(jù)23208工作面實(shí)際地質(zhì)情況，建立模型長寬高為200 m×1 m×80 m的模型，重點(diǎn)對(duì)長度90～130 m范圍內(nèi)的巖層進(jìn)行分析，對(duì)模型下邊界施加垂直方向固定約束，左右邊界施加水平方向固定約束。同時(shí)根據(jù)覆巖容重及埋深確定在模型上邊界施加垂直應(yīng)力4.87 MPa，在模型內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測(cè)線，對(duì)切頂前后的覆巖運(yùn)移情況進(jìn)行對(duì)比分析。切頂前、后的覆巖運(yùn)移云圖如圖1所示。

圖1 切頂前、后的覆巖運(yùn)移云圖

未進(jìn)行膨脹劑切頂前，如圖1所示（a），在工作面煤層回采后，此時(shí)在上覆巖層擠壓作用下，離工作面較遠(yuǎn)位置的采空區(qū)頂板均已發(fā)生垮落，工作面距離較近位置的堅(jiān)硬頂板未出現(xiàn)垮落現(xiàn)象；此時(shí)直接頂出現(xiàn)較大范圍的彎曲，一端形成鉸接結(jié)構(gòu)，位于采空區(qū)底板的一端形成懸頂，懸臂主要位于100.0～109.2 m范圍內(nèi)，長度為9.2 m。

運(yùn)用膨脹劑切頂后，如圖1所示（b），沿鉆孔垮落的頂板高度為4.71 m，形成高度為1.09 m的四個(gè)臺(tái)階狀破斷段；同時(shí)巷道頂板出現(xiàn)明顯的松動(dòng)跡象，變化形態(tài)較小，對(duì)上方巖層起一定的支撐作用，切頂后巷道頂板破碎效果較為明顯。

3 工程實(shí)踐

在驗(yàn)證膨脹致裂切頂方案可行性的基礎(chǔ)上，將膨脹致裂切頂卸壓技術(shù)用于工程實(shí)踐。選定晉北煤業(yè)23208工作面進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)段，試驗(yàn)段為傾斜條帶形式布置，工作面布置、懸頂位置如圖2所示。

圖2 工作面布置

23208工作面每天平均推進(jìn)5個(gè)循環(huán)，單個(gè)循環(huán)推進(jìn)長度為0.6 m，工作面端頭位置平均一天產(chǎn)生3 m懸頂。設(shè)計(jì)施工方案時(shí)，需充分考慮預(yù)裂對(duì)象及切頂預(yù)裂自由面情況后再確定鉆孔參數(shù)。膨脹致裂切頂卸壓主要工藝流程如下：①準(zhǔn)備階段，對(duì)鉆孔參數(shù)及材料用量等進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)準(zhǔn)備設(shè)備及材料。②施工階段，對(duì)鉆孔進(jìn)行施工，并按比例將材料進(jìn)行攪拌，注入施工鉆孔內(nèi)。③封孔階段，對(duì)鉆孔進(jìn)行封閉，對(duì)鉆孔內(nèi)部情況進(jìn)行觀察。④致裂階段，對(duì)鉆孔進(jìn)行膨脹致裂，完成預(yù)裂施工。

工程施工實(shí)際采用益凱建材貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的膨脹劑進(jìn)行預(yù)裂。對(duì)回采工作面端頭懸頂膨脹致裂切頂卸壓鉆孔進(jìn)行設(shè)定，鉆孔布置間距設(shè)定為0.4 m，鉆孔的長度為6 m，鉆孔傾斜布置，傾斜角度為10°，第一個(gè)鉆孔布置于距離巷旁0.5 m的位置，鉆孔直徑設(shè)定為60 mm，一共施加6個(gè)鉆孔，鉆孔施工布置如圖3所示。

圖3 鉆孔布置

對(duì)膨脹材料進(jìn)行配置，將膨脹劑倒入水中（比例為3∶1）先行攪拌，然后注入注漿泵中再次攪拌，攪拌膨脹劑漿液均勻直至完全無膠結(jié)固塊后，開啟出漿口。進(jìn)行注漿施工時(shí)注漿軟管連接出漿口，注漿軟管的長度可以根據(jù)注漿的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，注漿軟管到達(dá)注漿點(diǎn)后將注漿軟管連接注漿鋼管，同時(shí)利用螺紋連接封孔器與注漿鋼管，將封孔器抵入鉆孔口內(nèi)1 m深度。在整個(gè)注漿過程中，漿液流經(jīng)封孔器時(shí)對(duì)其進(jìn)行密封，防止?jié){液倒流。鉆孔注滿漿液后，取出注漿鋼管，封孔器留置與鉆孔中。為了防止膨脹劑出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象，用錨固劑進(jìn)行二次封孔，完成施工過程。

4 效果分析

對(duì)回采工作面端頭支撐壓力受力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)礦壓監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)整理后得到切頂前后端頭支撐壓力曲線如圖4所示。

圖4 工作面端頭支撐壓力曲線

從圖4可以看出，方塊標(biāo)記曲線表示工作面端頭頂板未切頂時(shí)端頭液壓支架支撐壓力曲線，圓形標(biāo)記曲線表示膨脹致裂過程中端頭液壓支架支撐壓力變化曲線。在注漿結(jié)束7個(gè)小時(shí)內(nèi)，兩條曲線的變化趨勢(shì)大致相同，均較為穩(wěn)定，僅存在一定幅度的波動(dòng)；而在7小時(shí)后，未實(shí)施切頂?shù)亩祟^液壓支架支撐壓力無明顯變化，仍呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)，而膨脹致裂切頂后的端頭液壓支架支撐壓力曲線突然下降，支撐壓力值從26 MPa快速降低至16 MPa，下降了10 MPa?？梢钥闯?，膨脹劑在7個(gè)小時(shí)后完成充分水化反應(yīng)，此時(shí)鉆孔內(nèi)部能量積累超過頂板抗拉強(qiáng)度，頂板產(chǎn)生裂縫，支撐壓力明顯下降，切頂效果較為明顯，證明該切頂卸壓方案可行。

5 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)膨脹致裂切頂卸壓可行性進(jìn)行了分析，經(jīng)切頂卸壓后，回采工作面端頭懸頂垮落的頂板高度為4.71 m，形成高度為1.09 m的四個(gè)臺(tái)階狀破斷段，證明膨脹切頂卸壓技術(shù)可行。

2）結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況，擬定了膨脹致裂切頂卸壓技術(shù)方案，并制定了主要工藝流程。

3）運(yùn)用膨脹致裂切頂后，回采工作面端頭液壓支架支撐壓力在7小時(shí)后快速下降，支撐壓力值從26 MPa快速降低至16 MPa，下降了10 MPa，證明切頂卸壓效果良好。