王志鵬

（大同煤礦集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 概 況

東周窯煤礦在開采8202工作面時(shí)，由于該工作面頂板厚而且堅(jiān)硬，頂板不易自然垮落，隨著回采距離的增加在工作面中部形成了大面積懸頂，在工作面推進(jìn)至160m時(shí)，懸頂大面積垮落產(chǎn)生沖擊波，所幸未造成人員傷亡。

由于巖層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，堅(jiān)硬頂板工作面具有來壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、動(dòng)載系數(shù)大、來壓步距大、冒落巖石塊度大、頂板冒落高度大等礦壓特點(diǎn)。

為防止堅(jiān)硬頂板懸板面積變大，導(dǎo)致大面積垮落，該礦在同盤區(qū)的8200工作面采取頂板水壓致裂的方法，人為預(yù)先降低頂板的整體強(qiáng)度，防止堅(jiān)硬頂板大面積垮落。

2 水壓致裂分析

2.1 8200工作面概況

8200工作面位于石炭系5#層二盤區(qū)，西南側(cè)為C5#層8202工作面采空區(qū)，東北側(cè)與永財(cái)坡煤礦相鄰，其余側(cè)均為實(shí)煤。對(duì)應(yīng)的上覆無侏羅系煤系地層，不存在小窯采空區(qū)。

8200工作面長230m，可采走向長度410m。煤層厚度3.5～13m，平均厚度為7.04m，煤黑色，弱玻璃光澤，塊狀，成分以暗煤為主，見鏡煤及亮煤條帶，參差狀斷口。根據(jù)切眼附近B1513鉆孔柱狀圖，8200工作面切眼的基本頂為7.21m厚的含礫粗砂巖，灰色，灰白色，成分以石英為主，次之長石，局部含礫。直接頂為6.5m厚的泥巖+煌斑巖+粉砂巖以及3.57m厚的5-1煤，直接頂總厚度為10.07m。

2.2 設(shè)備情況

設(shè)備型號(hào)及參數(shù)如下：使用天津通潔3BZ6.7/63-200注水泵（見圖1），Φ50mm水力割縫專用封孔器，Φ10mm安裝桿，Φ50mm定向水力致裂開槽鉆頭（見圖2）。

2.3 致裂孔布置設(shè)計(jì)

（1）施工地點(diǎn)：8200工作面切眼。

（2）設(shè)計(jì)致裂孔高度：8200工作面切眼直接頂厚10.07m，基本頂厚7.21m，初步確定致裂孔高度為直接頂與基本頂一半之和約13.67m。鉆機(jī)開孔位置離地為1.6m（離巷道頂板2m），鉆孔穿透煤層的距離為6.75m，再加頂板高度13.67m，確定孔底至孔口垂高為20m。

（3）仰角：根據(jù)鉆機(jī)的使用參數(shù)，傾角確定為45°。

（4）孔長：20/sin45°=28.6m，確定為29m。

（5）鉆孔方向：鉆孔豎直方向垂直于煤壁，向上與水平面夾角45°。

（6）孔口位置：在切眼距離底板1.6m處的煤體內(nèi)開孔。

（7）鉆孔布置及數(shù)量：工作面切眼長230m，由尾巷向頭巷每隔20m布置一個(gè)孔，共11個(gè)鉆孔，第一個(gè)孔在切眼內(nèi)距順槽巷幫15m處。具體參數(shù)如圖3、圖4和表1所示。

圖1 3BZ6.7/63-200型高壓注水泵

圖2 開槽鉆頭

圖3 8200切眼巷水壓致裂孔示意圖

2.4 鉆孔施工

采用Ф55mm鉆頭施工，然后退出鉆桿，換開槽鉆頭，送到孔底開槽。施工鉆孔后進(jìn)行水壓致裂。共施工11個(gè)鉆孔，總計(jì)319m。

圖4 A—A剖面圖

表1 鉆孔參數(shù)

2.5 水壓致裂效果

（1）由于我國煤礦大都采用長壁式綜合機(jī)械化采煤法，工作面的推進(jìn)速度比較快，使用水力壓裂控頂技術(shù)滿足快速實(shí)施的特點(diǎn)，頂板能夠及時(shí)垮落。

（2）通過對(duì)堅(jiān)硬頂板水力分段多次壓裂和注水軟化，削弱上覆巖層儲(chǔ)存的高應(yīng)力，減小工作面端頭三角區(qū)懸頂問題，實(shí)現(xiàn)隨采隨垮，減小煤柱應(yīng)力集中效應(yīng)，減小巷道變形的問題。

（3）通過對(duì)堅(jiān)硬頂板水力分段多次壓裂后工作面上隅角氣體集聚明顯減少。

（4）分段多次水力壓裂控頂技術(shù)不會(huì)對(duì)正常的回采工藝產(chǎn)生干擾。

（5）實(shí)現(xiàn)了對(duì)上覆巖層的多次壓裂和軟化。

（6）同時(shí)，水力壓裂技術(shù)具有安全性高、工程量小、成本低及適應(yīng)性強(qiáng)(如高瓦斯礦井)等特點(diǎn)。該技術(shù)已經(jīng)在神東、神南礦區(qū)推廣應(yīng)用，取得了良好的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益。

（7）分段多次水力壓裂可削弱巖層的整體性和穩(wěn)定性，并定向切割頂板巖層，通過人為的方法削弱煤巖體承載的高應(yīng)力，使巷道或工作面處于低應(yīng)力區(qū)域。同時(shí)也有利于回采銜接工作，具有很高的技術(shù)價(jià)值。

8200工作面5200巷臨近8202采空區(qū)，受工作面開采動(dòng)壓及采空區(qū)壓力傳遞的影響，為了防止巷道頂板垮漏，確保開采安全，提前主動(dòng)支護(hù)。對(duì)5200巷采取如下提前主動(dòng)支護(hù)措施：

（1）在5200巷超前支護(hù)范圍內(nèi)，部分地段單體柱下壓兩根4m長11#工字鋼梁，提高了巷道的整體支護(hù)能力及防止巷道底鼓。

（2）頂板破碎處提前鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)，增加頂板的整體性，防止原支護(hù)的頂網(wǎng)受力撕裂后引起頂煤（矸）漏冒而使原支護(hù)失效，使頂板與單體支護(hù)形成一個(gè)整體。

（3）注馬麗散加固頂板，在回采位置100m、210m處頂板破碎區(qū)提前在巷道注馬麗散加固頂板。注馬麗散的眼距6m，眼深6m，眼徑Ф28mm。提高了煤（巖）體的整體強(qiáng)度，保證了巷道頂板的穩(wěn)定性。

（4）對(duì)巷道頂板破碎、下沉嚴(yán)重的地段補(bǔ)打錨索鋼梁或者組合大板加強(qiáng)支護(hù)。錨索為Ф17.8×7300mm， 鋼 梁 為4.8m長 的11#礦 用工字鋼。一梁三索，鋼梁間距1.8m（打在無單點(diǎn)錨索的兩根鋼帶之間），眼距2.0m，對(duì)稱布置，托板為80×90×16mm的鋼托板。組合大板為600×600×16mm，一塊組合大板5根錨索，中間眼錨索為Ф17.8×10300mm，其他四根為Ф17.8×7300mm。每根錨索使用一卷ck2335、兩卷z2360錨固劑。提高了巷道頂板支護(hù)能力及防止巷道頂板下沉。

（5）提前對(duì)采位90～150m巷道進(jìn)行起底，保證工作面的正?；夭珊拖锏佬腥藭惩ā?/p>

在回采過程中由于巷道內(nèi)多處出現(xiàn)底鼓、頂板破碎下沉、臨空側(cè)肩角巷幫鼓出等現(xiàn)象。為了防止巷道頂板垮漏，確保開采安全，增加如下補(bǔ)強(qiáng)和加強(qiáng)措施：

① 加長超前支護(hù)長度，超前支護(hù)長度由50m增加到100m，支護(hù)間排距不變。

② 增加支護(hù)數(shù)量。工作面煤壁往外20m范圍內(nèi)在原三排超前支護(hù)的中間增加兩排支柱，柱距與原支護(hù)相同。頂板破碎處可再增加臨時(shí)支柱。

③ 單體支柱穿鞋。增大單體支柱與底板接觸面積，避免支柱因鉆底而降低支護(hù)強(qiáng)度，提高超前支護(hù)的整體支護(hù)能力。

以往臨空巷壓力顯現(xiàn)明顯、巷道變形嚴(yán)重。巷道原來高度3.5m，變形后最低處巷道高度僅為2.2m，嚴(yán)重影響了工作面的正?；夭伞Ｍㄟ^一系列的綜合治理，和以往臨空巷對(duì)比，5200巷經(jīng)過提前主動(dòng)支護(hù)，巷道移近量僅為300mm，有效地控制了巷道的穩(wěn)定性，保證了回采的順利進(jìn)行。

3 技術(shù)創(chuàng)新

（1）通過水壓致裂后，8200工作面初次來壓步距為32m，相比未采取水壓致裂的工作面，來壓步距縮短了13m。

（2）達(dá)到了工作面安全與高效的生產(chǎn)，成功對(duì)頂板進(jìn)行了處理，使處理后的頂板巖體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了變化。

（3）減小了堅(jiān)硬頂板的懸露面積，避免發(fā)生大面積的頂板來壓。

（4）由被動(dòng)支護(hù)改為主動(dòng)支護(hù)，提前控制頂板及圍巖穩(wěn)定。

（5）通過提前注馬麗散、提前鋪設(shè)雙層金屬網(wǎng)、補(bǔ)打錨索鋼梁或者組合大板、起底多項(xiàng)綜合治理方式有效地防止了巷道頂板垮漏，確保開采安全。

4 結(jié) 論

（1）提前對(duì)頂板進(jìn)行弱化，比起退錨等措施更加安全可靠。

（2）購買的設(shè)備可重復(fù)使用，后期投資少。

（3）采取水壓致裂措施后，工作面推進(jìn)至9m時(shí)，懸頂開始垮落，無需采取其他措施就消除了大面積懸頂?shù)碾[患。