馬占新，馬亞杰

（1.晉能控股煤業(yè)集團有限責(zé)任公司 山西 大同 037003；2.山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院 山西 太原 030006）

在井工煤礦的回采過程中，通常采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，初次人工強制放頂過去一般采用爆破放頂［1］，近幾年來國內(nèi)外大都采用水壓致裂技術(shù)進行人工放頂，但是針對大同礦區(qū)石炭系厚煤層無煤柱開采方式下的堅硬頂板的初次來壓前的強制放頂，還是空白領(lǐng)域［2］，經(jīng)過認真研究，認為采用“實時周期立體交叉水壓致裂技術(shù)”進行老頂初次垮落方面的治理，完全可以實現(xiàn)綠色、安全、快速生產(chǎn)。

1 同忻礦C8#層北一盤區(qū)8105工作面概況

同忻北一盤區(qū)為C8#層8105切巷地面相對位置位于地面位于后溝與小海溝之間的山坡與溝谷地段，地面標(biāo)高1 162 m～1 173 m/1 167.5 m，工作面標(biāo)高為759 m～767 m/763 m，平均埋深404.5 m，區(qū)域內(nèi)無水體及建筑物。井下位于同忻井田東部，西部為8#煤層北一盤區(qū)8105 工作面兩順槽，同層其余為實煤區(qū)，上覆為同忻礦C3-5#層8104和8105工作面采空區(qū)，層間距平均23 m 左右。8105 工作面上下層對照示意圖如圖1所示。

圖1 8105工作面上下層對照示意圖

煤層厚度1.0 m～5.7 m，平均3.61 m。煤層傾角1°～3°，平均2°。工作面走向長1 802 m～1 809 m，平均1 805.5 m，傾向長229.5 m。2105 巷從輔運巷口起663 m左右，遇到火成巖墻，厚度約0.1 m～0.3 m。5105巷從輔運巷口起793 m 左右，遇到火成巖墻，厚度約0.1 m。8105工作面回采220 m范圍內(nèi)，煤層頂板發(fā)育沖刷帶。最大涌水量：1 m3/min，正常涌水量：0.3 m3/min，瓦斯分帶為氮氣甲烷帶，相對涌出量：4.07 m3/t，絕對涌出量：17.12 m3/min。煤塵具有爆炸性，火焰長度＞400 mm，自燃發(fā)火期：2.8個月。地溫：21.3°。地壓：24 MPa。工作面開采方式為無煤柱沿空留巷，采煤方法為走向長壁后退式綜合機械化大采高一次采全高，沿空留巷為D型聚能管超前切頂卸壓+砌筑高水墻體沿空留巷。C8#層8105工作面綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 C8#層8105工作面綜合柱狀圖

2 實時周期立體交叉水壓致裂技術(shù)

在工作面初采期，采空區(qū)直接頂未垮落之前，切眼內(nèi)頂板相當(dāng)于四邊固支，通過水壓致裂，破壞切眼內(nèi)頂板的四邊固支結(jié)構(gòu)，形成臨時簡支梁結(jié)構(gòu)，最后直至老頂全部垮落。由于走向長度的固支梁，相對于傾向長度來說很小，通過地應(yīng)力即實現(xiàn)斷裂。因此水壓致裂主要破壞的是傾向長度的固支梁，而通過采用實時周期立體交叉水壓致裂技術(shù)即可實現(xiàn)以上要求［3-4］。

實時周期立體交叉水壓致裂技術(shù)：第1 次水壓致裂為切眼處，之后根據(jù)古塘頂板塌落的實際情況，實時進行致裂，并且上次和本次的水壓致裂孔采用交叉布置，如：8105面第2次致裂為切眼走向長度(如:8105面為9 m)，之后致裂周期為5 m。同時對兩順槽進行致裂，如：8105面頭巷超前70 m水壓致裂，尾巷超前70 m采用無煤柱沿空留巷的D型聚能管超前爆破切頂卸壓方案布置，從而實現(xiàn)了全方位立體式水壓致裂。

3 實際應(yīng)用

3.1 在同忻C8#層北一盤區(qū)8105水壓致裂方案

（1）主要參數(shù)（孔深）的確定

C8#層北一盤區(qū)8105工作面切巷位于同忻井田東部，煤層厚度1.1 m～3.8 m，平均厚度2.3 m，巷高3.6 m～5.8 m，平均巷高4.1 m，根據(jù)垮落帶直接頂和老頂分層碎脹后能填滿采空區(qū)空間的原則，按照公式［5］：

式中：h：垮落帶高度，m；

M：煤層采高，m；

KZ：直接頂和老頂分層的平均巖石碎脹系數(shù)。

由于是初采階段，碎脹系數(shù)偏小，取值1.2～1.3，得出水壓致裂的高度為采高的3～5 倍，即需要控制12.3 m～20.5 m 的頂板，錨索長度6.3 m，綜合考慮直接頂?shù)暮穸龋c上覆采空區(qū)的安全距離，以及壓裂施工的可操作性，因此去確定深度為17 m。

（2）次要參數(shù)（孔間距、孔徑、水壓等）的確定

C8#層北一盤區(qū)8105工作面是根據(jù)同忻礦所用致裂設(shè)備型號及致裂效果確定的。

①致裂孔鉆機型號：ZLJ850；鉆桿：φ42 mm鉆桿，長1.5 m，鉆頭：φ55 mm；

②致裂泵型號：BZW200/56 注水泵；水壓為30 MPa～50 MPa，平均為43 MPa。

通過綜合以上兩方面確定了8105 工作面水壓致裂方案。

（3）第1次水壓致裂方案

在切眼內(nèi)靠近回采側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，間距為20 m，共11 個。向工作面前方，與頂板夾角70°，孔口位置距回采側(cè)煤幫偏移0.3 m（距離古塘幫8.8 m），施工深度18 m，垂深17 m，φ55 mm；在2105巷靠近實體煤側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，間距為20 m，共4 個；在5105巷靠近回采幫側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，按照超前切頂預(yù)裂方案確定。具體為鉆孔與回采幫距離≤200 mm，傾角85°，φ50 mm，間距800 mm。

（4）第2次水壓致裂方案

在工作面靠近回采側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，間距為10.5 m，共21 個。向工作面后方，與頂板夾角75°，孔口位置距回采側(cè)煤幫偏移2.4 m（距離古塘幫17.8 m），施工深度18 m，垂深17.4 m，孔徑φ55 mm；在2105巷未布孔，因上覆實體煤下，屬于應(yīng)力集中區(qū)，可不予布孔；在5105巷靠近回采幫側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，按照超前切頂預(yù)裂方案確定。具體為鉆孔與回采幫距離≤200 mm，傾角85°，φ50 mm，間距800 mm。兩次水壓致裂平面圖如圖3 所示，兩次水壓致裂剖面圖如圖4所示。

圖3 兩次水壓致裂平面圖

圖4 兩次水壓致裂斷面圖

3.2 在同忻C8#層北一盤區(qū)8105水壓致裂實際實施：

（1）時間節(jié)點

①第一次致裂（切眼預(yù)裂）：2021年3月8日～10日完成11個孔預(yù)裂，頭巷4個孔預(yù)裂，11日～13日注水致裂。

②第二次致裂：工作面采至9 m 時，2021 年8 月1日致裂 1 個孔，8 月 2 日致裂 4 個孔，8 月 4 日致裂 7 個孔，其中 5 號孔與 4 號孔溝通，8 月 5 日致裂 8 個孔，共21個孔。

（2）施工方案

①8105 工作面在施工過程中，要提前補打巖性孔，進行頂板巖性窺視，根據(jù)窺視孔反映的頂板巖性、厚度變化調(diào)整致裂孔的深度，保證孔末端開槽位置位于粗、中、細砂巖中部。

②兩順槽超高段根據(jù)實際高度和煤巖層分布情況重新調(diào)整致裂孔深度。

③5105巷依照沿空留巷切頂設(shè)計預(yù)裂頂板。

④采至17.8 m 處水力致裂孔施工后，若直接頂不能垮落，工作面每推進5 m施工一排水力致裂孔，直至頂板垮落。

（3）致裂效果

兩次水壓致裂后，均在工作面煤壁有水珠和掛汗；第一次致裂后，在工作面開采時煤塵少，并且在尾部120#～134#支架后古塘頂板出現(xiàn)少許垮落；第二次致裂后，在工作面開采時，不僅煤層變軟，同時在工65#～134#（尾端頭）支架后古塘頂板出現(xiàn)大面積垮落，高度為采高的1.5倍，實現(xiàn)了老頂?shù)某醮慰迓洹?/p>

4 結(jié)論

通過采用“實時周期立體交叉水壓致裂技術(shù)”，實現(xiàn)了大同礦區(qū)石炭系C8#層初采期懸板的綠色、安全、快速、回采，并且效益顯著，如：8105工作面，初次垮落提前35 m(15天)完成，創(chuàng)經(jīng)濟效益約150萬元左右。