高瓦斯綜放工作面端頭懸頂靜態(tài)膨脹預(yù)裂技術(shù)

郭高峰 宋志強(qiáng) 趙寶友

（1.山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長治 046000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

工作面端頭懸頂不僅會造成瓦斯在上隅角位置聚集，引起瓦斯超限，同時(shí)大面積懸頂?shù)乃矔r(shí)沖擊垮落還會帶來颶風(fēng)、揚(yáng)塵、反風(fēng)甚至瓦斯及煤塵爆炸的重大安全事故。對于回采巷道沿底掘進(jìn)的綜放工作面來說，端頭懸頂還將導(dǎo)致端頭頂煤的冒放性差，端頭頂煤采出率低，造成一定程度的煤炭資源浪費(fèi)，同時(shí)還具有采空區(qū)遺煤自燃的潛在安全隱患。目前，主要采用爆破預(yù)裂和水力壓裂兩種技術(shù)進(jìn)行端頭懸頂?shù)奶幚韀1-9]。原工程實(shí)踐和理論研究結(jié)果表明：水力壓裂切頂裂縫擴(kuò)展嚴(yán)重依賴于頂板巖層的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、剛度及應(yīng)力狀態(tài)等地質(zhì)賦存特征，且壓裂工序相對復(fù)雜，同時(shí)要求相關(guān)技術(shù)人員具備豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致其實(shí)際裂縫擴(kuò)展與設(shè)計(jì)偏差較大，一般常用于大尺度覆巖壓裂防治沖擊地壓災(zāi)害，對于超前工作面沿煤柱側(cè)預(yù)裂切頂來說不易獲得理想的效果。盡管化學(xué)炸藥爆破的預(yù)裂切頂技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的切頂效果，但由于爆炸沖擊波的高頻高強(qiáng)度沖擊動載特性，不利于巷道頂板穩(wěn)定性的維護(hù)，加之化學(xué)炸藥爆破存在明火，使之應(yīng)用解決高瓦斯煤層工作面端頭懸頂問題時(shí)存在安全隱患。靜態(tài)無聲膨脹致裂破碎技術(shù)具有膨脹性能高、無噪音、無污染等優(yōu)點(diǎn)，目前采礦、土木等多個(gè)工程領(lǐng)域已經(jīng)開始逐步利用靜態(tài)破碎技術(shù)代替炸藥爆破，少數(shù)礦井已開始嘗試采用靜態(tài)膨脹破碎技術(shù)代替炸藥爆破進(jìn)行端頭懸頂?shù)奶幚韀10-11]。

1 工程概況

山西三元煤業(yè)股份有限公司核定生產(chǎn)能力260萬t/a，采用走向長壁綜合機(jī)械化綜采低位放頂煤采煤法。現(xiàn)開采的3 號煤層位于山西組下部，煤層埋深380～401 m，平均煤厚7.2～7.7 m，普遍含0～2 層碳質(zhì)泥巖夾矸，屬全區(qū)可采穩(wěn)定煤層。煤層直接頂為厚約8 m 的砂質(zhì)泥巖與粉砂巖互層結(jié)構(gòu)，基本頂為厚約4 m 的中粒砂巖。工作面斜長一般為240 m，采用一進(jìn)一回U 型通風(fēng)方式?；夭上锏罃嗝鏋榫匦危珜?.2 m，毛高3.2～3.5 m，均沿煤層底板掘進(jìn)，留有厚約3.7～4.2 m 的頂煤。工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為20.19 m3/min，相對瓦斯涌出量為4.72 m3/t，為典型的高瓦斯煤層，且煤塵具有爆炸性。

原生產(chǎn)實(shí)踐表明，受煤柱側(cè)實(shí)體煤的支撐與約束作用，綜放工作面兩端頭均存在端頭懸頂現(xiàn)象，尤其是工作面回采初期和首采工作面。工作面推進(jìn)30 m 后端頭頂板才開始垮落，工作面正常回采期間端頭滯后采空區(qū)懸頂5～10 m，使得兩端頭頂煤回收率低，同時(shí)還造成上隅角瓦斯?jié)舛扔袝r(shí)超過0.8%的安全警戒限值，嚴(yán)重影響著工作面的安全回采。三元煤業(yè)以往主要采用超前工作面煤柱側(cè)水力壓裂技術(shù)進(jìn)行端頭懸頂?shù)膲毫亚许?，但水力壓裂裂縫可靠性差，端頭懸頂壓裂切頂效果并不理想。鑒于三元煤業(yè)3 號煤層屬于典型的高瓦斯煤層，為此，擬嘗試采用靜態(tài)膨脹預(yù)裂技術(shù)處理端頭懸頂問題。

2 綜放面端頭懸頂靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂方案設(shè)計(jì)

2.1 理論分析

如圖1 所示鉆孔打設(shè)后煤巖體周圍任意一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為[12]：

圖1 煤巖體靜態(tài)膨脹致裂斷裂力學(xué)模型

式中：σrr、σθθ、σrθ分別為以鉆孔中心為極點(diǎn)的極坐標(biāo)系下壓裂前煤巖體任一點(diǎn)處的應(yīng)力分量，MPa；K=σh/σH為水平地應(yīng)力分量比值；σh和σH分別為最小和最大水平地應(yīng)力分量，MPa；rb和r分別為鉆孔半徑和煤巖體任一點(diǎn)的極徑，m；θ為極坐標(biāo)與水平方向的夾角，（°）。

膨脹劑水化反應(yīng)體積膨脹后產(chǎn)生的膨脹壓力將作用在鉆孔表面。由于煤巖體為典型的脆性材料，當(dāng)膨脹壓力在鉆孔周圍煤巖體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力與地應(yīng)力疊加后超過煤巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤巖體將產(chǎn)生垂直最小地應(yīng)力方向的一對I 型徑向?qū)ΨQ裂縫。根據(jù)疊加原理可以將裂縫端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)為最小地應(yīng)力σh和膨脹壓力Pi所引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子的疊加[13]。

式中：KI為I 型裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPa·m0.5；Pi為膨脹劑水化反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力，MPa。

當(dāng)裂縫端部的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI小于煤巖體的斷裂韌度KIC時(shí)裂縫停止擴(kuò)展，則膨脹致裂的止裂條件為：

已知膨脹劑水化后的最大膨脹壓力可達(dá)80～100 MPa，三元煤業(yè)3 號煤層σh=σθθ=4.5 MPa、σt=1.5 MPa、rb=0.037 5 m、KIC=7.22 MPa·m0.5等參數(shù)，據(jù)此可計(jì)算得到靜態(tài)膨脹致裂煤巖體的裂縫擴(kuò)展半徑r=0.21～0.32 m。

2.2 方案設(shè)計(jì)

結(jié)合綜放工作面實(shí)際條件，靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂需在兩順槽動壓區(qū)前方進(jìn)行施工，再考慮到順槽頂板穩(wěn)定維護(hù)的要求，合理的預(yù)裂孔間距應(yīng)保證靜態(tài)膨脹劑預(yù)裂后相鄰鉆孔的裂縫不能在超前工作面的動壓區(qū)內(nèi)連通，后續(xù)在采動應(yīng)力的作用下剛好在端頭位置連通，進(jìn)而使得弧三角形端頭懸頂緊隨工作面推進(jìn)而垮落充填采空區(qū)。

為此，綜合上述理論分析結(jié)果和三元煤業(yè)綜放工作面實(shí)際條件及類似工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)在兩順槽緊鄰煤柱幫0.4～0.6 m 垂直頂板打設(shè)一列預(yù)裂鉆孔，孔徑75 mm，孔距1.0 m，孔深16 m，預(yù)裂高度內(nèi)包括頂煤、直接頂巖層和基本頂巖層。三元煤業(yè)3號煤層綜放工作面端頭懸頂靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂?shù)念A(yù)裂孔參數(shù)設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂?shù)念A(yù)裂孔參數(shù)設(shè)計(jì)圖（m）

3 綜放面端頭懸頂靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂效果分析

3.1 數(shù)值模擬分析

依據(jù)上述爆破孔設(shè)計(jì)方案，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立三元煤業(yè)超前綜放工作面回采巷道頂板巖層的靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂數(shù)值模型。模型中沿巷道走向距煤柱幫0.5 m 垂直頂板打設(shè)3 個(gè)預(yù)裂孔（沿X 軸正向依次為1#、2#和3#預(yù)裂孔）；模型四周及頂?shù)酌娌捎梅ㄏ蛭灰萍s束，沿預(yù)裂孔軸向施加10 MPa 的豎向自重應(yīng)力，水平兩向施加4.5 MPa和6 MPa 的水平地應(yīng)力，預(yù)裂孔表面施加100 MPa的膨脹壓力；采用interface 界面單元模擬垂直最小地應(yīng)力方向的裂縫面，煤巖層均采用彈性本構(gòu)模型。煤巖層及裂縫面的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體基本物理力學(xué)參數(shù)表

圖3（a）給出的裂縫面接觸狀態(tài)分布圖直觀地表明，膨脹劑水化體積膨脹產(chǎn)生的膨脹壓力作用下，每個(gè)預(yù)裂孔兩側(cè)均產(chǎn)生兩條對稱的壓裂裂縫面，處于張拉狀態(tài)的裂縫面擴(kuò)展半徑約0.38 m。圖3（b）給出的裂縫面張開度云圖表明，靜態(tài)膨脹壓力作用下，每個(gè)預(yù)裂孔兩側(cè)的裂縫張開度也呈現(xiàn)對稱分布，最大張開度為0.42 mm，位于鉆孔表面的裂縫面起始位置，裂縫面張開度隨裂縫擴(kuò)展而降低，當(dāng)裂縫面擴(kuò)展半徑達(dá)到0.37 m 時(shí)裂縫張開度為0，即裂縫不再繼續(xù)擴(kuò)展。靜態(tài)膨脹壓力作用下裂縫面法向的接觸應(yīng)力同樣呈現(xiàn)以鉆孔為對稱軸的對稱特征，見圖3（c）所示，沿鉆孔徑向0.36 m 范圍內(nèi)的裂縫面法向壓應(yīng)力均為0，即該范圍的裂縫面處于張開狀態(tài)。

圖3 靜態(tài)膨脹預(yù)裂數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 給出的裂縫面張開度變化曲線定量地表明，1#預(yù)裂孔至3#預(yù)裂孔孔口連線方向上，裂縫面張開度曲線呈W 形式，裂縫面張開度在預(yù)裂孔表面位置處最大，隨距預(yù)裂孔距離的增大而線性減小，兩預(yù)裂孔之間約0.24 m 范圍內(nèi)張開度為0，即靜態(tài)膨脹預(yù)裂下裂縫面擴(kuò)展半徑為0.38 m。圖5 給出的中間2#孔兩側(cè)0.5 m 范圍內(nèi)裂縫面法向壓應(yīng)力曲線進(jìn)一步表明，預(yù)裂孔兩側(cè)約0.37 m 范圍內(nèi)的裂縫面法向壓應(yīng)力為0，即處于張開狀態(tài)，其外約0.13 m 范圍的裂縫面處于受壓閉合狀態(tài)。

圖4 裂縫張開度隨其水平坐標(biāo)變化曲線

圖5 裂縫面法向應(yīng)力隨其水平坐標(biāo)變化曲線

綜上超前綜放工作面沿回采巷道煤柱側(cè)的靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂數(shù)值模擬結(jié)果可知，實(shí)施靜態(tài)膨脹預(yù)裂頂煤及頂板后，在膨脹劑水化體積膨脹產(chǎn)生的膨脹壓力作用下，回采巷道預(yù)裂孔高度范圍內(nèi)單孔靜態(tài)膨脹預(yù)裂裂縫擴(kuò)展半徑為0.36～0.38 m，與理論計(jì)算得到的單孔預(yù)裂影響范圍基本一致，工作面頂板在距煤柱巷幫0.5 m 沿巷道走向形成一條高16 m 的非連續(xù)切頂面，孔間裂縫連通率約75%，從理論上驗(yàn)證了超前工作面靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂處理端頭弧三角懸頂設(shè)計(jì)方案的有效性和可行性。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

以三元煤業(yè)四采區(qū)4306 工作面為例，從現(xiàn)場應(yīng)用角度分析端頭懸頂靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂效果。4306 綜放工作面端頭懸頂靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂設(shè)計(jì)方案見上述2.2 部分。檢修班期間在超前工作面50 m之外按設(shè)計(jì)方案打設(shè)預(yù)裂孔，然后采用膨脹橡膠封口器自孔口開始封孔，封孔長度0.3～0.5 m，通過與封口器尾部連接的高壓注漿管向預(yù)裂孔內(nèi)注入攪拌好的膨脹劑漿液。

三元煤業(yè)回采巷道礦壓監(jiān)測結(jié)果表明（圖6），回采巷道煤柱側(cè)未實(shí)施靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂時(shí)，超前綜放工作面巷道頂板下沉量均不顯著，同一斷面位置煤柱側(cè)與回采側(cè)巷道頂板下沉量相當(dāng)且小于跨中頂板下沉量。頂板下沉變形沿巷道跨度方向呈現(xiàn)常規(guī)的下凸形式，即使當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)已接近工作面時(shí)，煤柱側(cè)、跨中的巷道頂板下沉量僅為38 mm 和96 mm，兩回采巷道均存在不同程度的滯后采空區(qū)懸頂現(xiàn)象，不僅使得兩端頭過渡支架上方頂煤不易破碎，端頭頂煤回收率低，而且還存在上隅角瓦斯聚集、瓦斯?jié)舛瘸藜安煽諈^(qū)漏風(fēng)和遺煤自燃等重大安全隱患，嚴(yán)重影響著工作面的正常生產(chǎn)。三元煤業(yè)回采巷道實(shí)施超前工作面靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂技術(shù)后，超前工作面30 m 動壓區(qū)范圍內(nèi)回采巷道煤柱側(cè)頂板下沉量增加明顯，相同超前距離下回采巷道跨中頂板的下沉量略大于煤柱側(cè)頂板，但均大于回采側(cè)頂板的下沉量。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)已接近工作面時(shí)，回采巷道煤柱側(cè)和跨中的頂板下沉量增至128 mm 和153 mm，與未采取靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂措施相比，煤柱側(cè)和跨中的頂板下沉量分別增加237%和59%。

圖6 回采巷道頂板沉降變形監(jiān)測曲線

三元煤業(yè)超前綜放面回采巷道煤柱側(cè)膨脹預(yù)裂切頂現(xiàn)場應(yīng)用表明，在煤柱側(cè)頂板實(shí)施靜態(tài)膨脹預(yù)裂后，回采巷道兩端頭頂板緊隨綜放工作面的推進(jìn)而垮落充填采空區(qū)，有效解決了上隅角懸頂造成的瓦斯集聚及瓦斯超限問題，改善了端頭頂煤的冒放性，端頭頂煤采出率由50%～70%增至90%，同時(shí)杜絕了端頭懸頂帶來的諸多重大安全隱患，促進(jìn)了工作面的安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié)論

采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)踐相綜合的研究方法，以山西三元煤業(yè)為工程背景，開展了綜放工作面端頭懸頂靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂技術(shù)研究，所得結(jié)論如下：

1）基于理論分析計(jì)算得到頂板巖層靜態(tài)膨脹預(yù)裂影響半徑，設(shè)計(jì)了綜放工作面端頭懸頂靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂方案及參數(shù)。

2）通過超前工作面回采巷道頂板巖層靜態(tài)膨脹預(yù)裂的數(shù)值模擬結(jié)果分析，驗(yàn)證了綜放工作面端頭懸頂靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂設(shè)計(jì)方案及參數(shù)的合理性。

3）通過超前工作面回采巷道煤柱側(cè)頂板靜態(tài)膨脹預(yù)裂切頂?shù)墓こ虒?shí)踐，有效解決了高瓦斯綜放工作面端頭懸頂問題，消除了端頭懸頂帶來的諸多安全隱患，同時(shí)提高了端頭頂煤的采出率，促進(jìn)了三元煤業(yè)綜放工作面安全高效開采。