郭 皞

（晉城煤業(yè)集團(tuán)安監(jiān)局，山西 晉城 048000）

定向水力壓裂技術(shù)是較常用的一種安全高效處理堅硬頂板的技術(shù)方法，鳳凰山礦通過定向水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用，將15#煤綜采工作面頂板初次垮落步距控制在20～30m左右，有效防止了頂板瞬間大面積垮落形成沖擊波。但15#煤綜采工作面初采期間采空區(qū)漏風(fēng)大，工作面過風(fēng)量小，工作面煤塵、瓦斯不能及時隨風(fēng)流稀釋并帶走，易造成工作面內(nèi)瓦斯超限、煤塵濃度超標(biāo)。以XV1308工作面為例，介紹雙重預(yù)裂技術(shù)的應(yīng)用及效果，為相似條件的礦井應(yīng)用此方法提供借鑒。

1 概況

XV1308工作面采用傾斜長壁綜采采煤法進(jìn)行回采，工作面長度為 176m，可采長度1163m，為滿足進(jìn)架條件，切眼設(shè)計寬度為7m，高度為2.6m。工作面煤層傾角0～15°，平均3°，屬近水平煤層，煤層厚度平均2.25m，變異系數(shù)為 30%，可采指數(shù)1。圖1所示為XV1308綜采工作面綜合柱狀圖，該工作面無偽頂，直接頂為 K2石灰?guī)r，平均9.26m，深灰色，致密堅硬，穩(wěn)定性好，含動物化石及方解石脈，局部有平均0.32m厚的泥巖，屬于典型的堅硬難垮落頂板。

XV1308綜采工作面圈定后，采用定向水力壓裂技術(shù)對工作面切眼及兩巷頂板進(jìn)行弱化處理[2]。水力壓裂結(jié)束后，對壓裂孔窺視進(jìn)行效果驗證，發(fā)現(xiàn)定向水力壓裂對煤層以上1.5～10m的K2石灰?guī)r完整性造成破壞，而對煤層以上0～1.5m范圍內(nèi)K2石灰?guī)r完整性基本無影響。

2 理論分析

為進(jìn)一步破壞頂板完整性，在定向水力壓裂技術(shù)破壞深層頂板完整性的前提下，淺孔爆破充分利用水力預(yù)裂形成的裂隙自由面和爆破能量，對頂板造成二次破壞，形成相輔相成的雙重預(yù)裂技術(shù)理論。

在淺孔爆破過程中，水力壓裂產(chǎn)生的這些裂隙即為無數(shù)個爆破自由面，在保證一定裝藥量及封泥長度的情況下，爆破應(yīng)力波會沿頂板弱面（裂隙）向上傳遞，將爆破能量全部作用在深部頂板巖層中。同時這些自由面（裂隙）會產(chǎn)生反射拉伸波，而反射拉伸波會在自由面附近引起巖石層裂和促進(jìn)原先由壓縮應(yīng)力波產(chǎn)生的徑向裂紋擴(kuò)展，有利于頂板巖石的破碎。

圖1 XV1308綜采工作面綜合柱狀圖

3 技術(shù)方案

（1）淺孔爆破參數(shù)

在切眼內(nèi)距工作面回采幫1m處施工一排淺孔爆破眼，每兩個淺孔爆破眼為一組，每組間距0.5m，眼深3m，淺孔爆破眼朝向工作面回采幫側(cè)80～85°，共布置30組，組與組之間間距為6m，其中機頭、機尾各兩組,組與組間距為3m，具體見圖2淺孔爆破示意圖。

淺孔爆破采用煤礦許用毫秒延期電雷管、二級乳化炸藥，采用正向裝藥，爆破裝藥量為每眼6卷，封泥長度不小于1m，使用5m腳線雷管進(jìn)行引爆，串聯(lián)一次起爆5組。裝藥時將支架前梁降至合適高度，支架頂梁支撐頂板，爆破后及時將支架前梁升緊支護(hù)頂板，確保頂板支護(hù)有效。

圖2 淺孔爆破示意圖

（2）施工機具

錨桿（錨索）鉆機：MQT-130-A；

鉆頭：直徑42mm，雙翼合金鋼鉆頭；

鉆桿：B19，1m接長鉆桿；

（3）施工步驟

① 綜采工作面圈定后，水力壓裂效果達(dá)設(shè)計要求后，進(jìn)行工作面刮板運輸機及采煤機的安裝。

② 綜采工作面安裝支架前，進(jìn)行淺部放頂眼施工。

③ 綜采工作面安裝到位、初采前系統(tǒng)達(dá)標(biāo)后，對淺孔爆破眼進(jìn)行爆破預(yù)裂。

④ 綜采工作面正常初采作業(yè)。

（4）兩端頭的頂板管理

① 工作面兩順槽端頭的支架正前方錨索和頂錨桿托盤在距支架頂梁＜0.6m時，且下次拉架前進(jìn)行回取；其他頂錨桿（索）托盤及煤柱幫錨桿托盤，在拉架移切頂柱、錨桿（索）即將進(jìn)入老塘前進(jìn)行回取。

② 由于頂板9m厚的K2石灰?guī)r性質(zhì)穩(wěn)定，在工作面移架后不宜跟隨支架垮落，為此正?；夭勺鳂I(yè)過程中必須加強對兩端頭頂板的強制放頂。具體為：

工作面進(jìn)風(fēng)巷端頭頂板距煤柱幫側(cè)煤幫0.3m和0.6m處（端頭架距離煤柱幫較近時只在0.3m處施工一個炮眼），各打一個炮眼，直徑43mm，炮眼長度1.5m，排距1.5m，炮眼朝向老塘與頂板呈75～85°夾角，最靠煤柱幫炮眼朝向煤柱側(cè)與頂板呈80～85°，每眼裝藥量3～5卷，封泥長度不小于0.5m。爆破采用串聯(lián)，一次裝藥一次爆破。

工作面回風(fēng)巷端頭頂板距煤柱幫分別為0.5m和1.2m處各打一個炮眼，直徑43mm，炮眼長度1.5m，排距1.5m。炮眼朝向老塘與頂板呈75～85°夾角。每眼裝藥量3～5卷，封泥長度不小于0.5m。爆破采用串聯(lián)，一次裝藥一次爆破。炮眼在兩順槽超前支護(hù)范圍內(nèi)提前施工，確保在支架前至少有兩排炮眼。炮眼在切頂線處裝藥、爆破。若支架距煤柱幫距離較小，則只對能滿足裝藥要求的炮眼進(jìn)行裝藥爆破；若支架距煤柱幫不足0.5m時，不進(jìn)行裝藥爆破。

4 效果分析

（1）切眼淺孔爆破眼設(shè)計在支架活動前梁上方，在爆破作業(yè)時只需將支架前梁降下，支架頂梁支撐頂板的狀態(tài)下即可完成爆破作業(yè)，雖然雙重預(yù)裂（二次爆破）對切眼頂板破壞較大，但支架的支撐完全可以確保切眼頂板管理安全可控。通過現(xiàn)場觀測，在淺孔爆破后，眼孔周圍頂板未出現(xiàn)明顯裂隙以及塌落現(xiàn)象，支架升緊后不存在安全隱患。

（2）XV1308綜采工作面通過雙重壓裂技術(shù)的使用，初采期間頂板初次垮落步距為15.4m，工作面推進(jìn)11m時老塘頂板開始垮落，推進(jìn)至19.8m時完全垮落。根據(jù)鳳凰山礦多個綜采工作面初次垮落步距的統(tǒng)計，在單一使用定向水力壓裂技術(shù)處理堅硬頂板的情況下，綜采工作面初次垮落步距均在20～30m左右，而采用雙重預(yù)裂技術(shù)后，綜采工作面頂板初次垮落步距均在10～20m范圍內(nèi)，綜采工作面頂板初次垮落步距提前了至少10m。

（3）該方案的實施，有效減少了頂板初次垮落步距，減少了采空區(qū)懸頂面積，保證初采期間工作面正常通風(fēng)，有效降低工作面的瓦斯及煤塵濃度。

5 結(jié)語

堅硬頂板雙重預(yù)裂技術(shù)在定向水力壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用水力預(yù)裂形成的裂隙自由面使淺孔爆破的能量對頂板破壞作業(yè)最大化，有效縮短了綜采工作面頂板初次垮落步距，大大提高了綜采工作面初采期間的安全保障能力。同時，雙重預(yù)裂技術(shù)雖然進(jìn)一步對綜采工作面切眼頂板造成了二次破壞，但通過選擇在支架上方布置淺孔爆破孔及支架安裝后進(jìn)行爆破作業(yè)，有效地解決了破壞頂板造成的安全隱患。