楊勝江

（潞安化工集團(tuán)潞寧忻峪煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700）

對井工煤礦工作面頂板穩(wěn)定性進(jìn)行合理控制是保證井下人員、設(shè)備安全的必要措施[1]。堅(jiān)硬頂板具有硬度大、強(qiáng)度高、難垮落的特點(diǎn)，容易造成綜采工作面大面積懸頂。受厚煤層大采高影響，上覆巖層一旦突然垮落，將嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)[2]。

潞寧煤業(yè)公司22117 綜采工作面直接頂和基本頂主要由硬質(zhì)砂巖構(gòu)成，頂板強(qiáng)度大，在實(shí)際生產(chǎn)過程中存在大面積懸頂問題，設(shè)計(jì)并應(yīng)用水壓致裂頂板弱化技術(shù)控制巖層穩(wěn)定、保證工作面安全開采。

1 概況

22117 綜采工作面平均走向長度為1 460.37 m，設(shè)計(jì)可采長度1 374.1 m，傾向長231.5 m，煤層厚度4.0 m，位于二二采區(qū)中下部，上部為22115 采空區(qū)，煤柱15.3 m，下部為22119 回采工作面，未形成回采工作面。

22117 綜采工作面直接頂由細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖綜合巖層組成。煤層上接2.6 m 細(xì)粒砂巖，以長石為主，較堅(jiān)硬，上接3 m 砂質(zhì)泥巖，上接5 m 較堅(jiān)硬的粉砂巖?；卷敒橹辛Ｉ皫r和細(xì)粒砂巖，中粒砂巖厚度2.6 m，以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，堅(jiān)硬，上接23 m 細(xì)粒砂巖，以石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，堅(jiān)硬。22117 工作面煤巖柱狀示意圖如圖1。

圖1 22117 工作面煤巖柱狀示意圖

2 厚煤層堅(jiān)硬頂板弱化機(jī)理

2.1 厚煤層堅(jiān)硬頂板控制分析

堅(jiān)硬頂板的巖石硬度高、巖層完整性好，具備很強(qiáng)的抵抗斷裂能力，導(dǎo)致厚煤層堅(jiān)硬頂板綜采工作面在開采過程中頂板難以及時(shí)破斷垮落，容易形成大面積懸頂。由于厚煤層大采高影響，堅(jiān)硬頂板一旦發(fā)生初次破斷，會(huì)造成大體積頂板巖層快速垮落，給工作面人員及設(shè)備安全帶來嚴(yán)重威脅。因厚煤層堅(jiān)硬頂板礦山壓力顯現(xiàn)的特殊性，工作面上覆巖層破壞行為更加復(fù)雜，由此產(chǎn)生的圍巖控制與安全難題主要有：沖擊地壓、臨空巷道大變形、采空區(qū)懸頂、端頭懸頂?shù)萚3]。

（1）沖擊地壓

在超前支護(hù)段，極易出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，由于頂板垮落難度大，巷道兩幫支撐載荷大。伴隨著基本頂?shù)闹芷趤韷?，巷道周而?fù)始地出現(xiàn)來壓變形，對于礦井的穩(wěn)定發(fā)展和安全開采有重大影響。

（2）臨空巷道大變形

在工作面回采過程中，受臨空壓力與超前壓力疊加影響，巷道容易產(chǎn)生劇烈變形。鄰近工作面的巷道受采掘交替影響及工作面超前支承壓力與側(cè)向支承壓力作用，迎采巷道與臨近回采工作面交鋒前后一定范圍內(nèi)礦壓顯現(xiàn)劇烈，圍巖變形量大，對工作面安全高效生產(chǎn)造成很大困難。

（3）采空區(qū)懸頂

厚煤層堅(jiān)硬頂板工作面采空區(qū)懸頂一般可分為兩類：采煤工作面開切眼懸頂和中部懸頂。在工作面初采時(shí)，開切眼位置由于支護(hù)強(qiáng)度大、推進(jìn)距離短、采動(dòng)影響小，加之堅(jiān)硬巖層不易破斷，因此開切眼區(qū)域在工作面開采初期會(huì)形成大面積懸頂。而對于采煤工作面中部來說，當(dāng)埋深較淺且上覆堅(jiān)硬頂板厚度大、完整性好時(shí)，礦山壓力顯現(xiàn)不明顯。隨著工作面的不斷推進(jìn)，工作面中部懸頂面積越來越大。當(dāng)工作面懸頂達(dá)到一定面積時(shí)，堅(jiān)硬頂板會(huì)在礦山壓力作用下突然發(fā)生脆性垮落，產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊載荷和頂板大面積來壓，進(jìn)而誘發(fā)礦山壓力災(zāi)害。

（4）工作面端頭懸頂

采煤工作端頭由于支撐煤柱作用及高強(qiáng)度支護(hù)，大多數(shù)情況下不能及時(shí)垮落，而造成懸頂面積較大。采煤工作面端頭大面積懸頂一旦突然垮落，采空區(qū)內(nèi)的有毒有害氣體將被擠壓流入采煤工作面，會(huì)導(dǎo)致工作面瓦斯超限。

2.2 水壓致裂頂板弱化原理

通過水壓致裂技術(shù)對頂板進(jìn)行提前弱化，促進(jìn)工作面上覆巖層及時(shí)垮落，對減少大面積懸頂、維持工作面安全高效生產(chǎn)具有重要意義[4]。

水壓致裂頂板弱化技術(shù)的核心是通過水壓提前在頂板切割裂縫，從而改變煤柱上方的懸臂結(jié)構(gòu)，破壞頂板應(yīng)力傳遞條件，減少巷道的應(yīng)力集中，增強(qiáng)工作面圍巖的穩(wěn)定性。采煤工作面大面積懸頂形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)是造成頂板突然垮落的主要原因。當(dāng)在指定位置進(jìn)行水力致裂切斷懸臂梁結(jié)構(gòu)后，工作面煤柱的懸臂結(jié)構(gòu)由“固支”變?yōu)椤昂喼А保煽諈^(qū)上部巖層及時(shí)垮落，避免大面積懸頂。堅(jiān)硬頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 堅(jiān)硬頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖

煤系巖層主要由泥巖、砂巖組成，含有多種礦物成分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。地下巖石存在遇水易崩解膨脹的黏土礦物，通過水-巖物理化學(xué)作用，巖體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的微觀孔隙和節(jié)理裂隙，降低堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度和完整性。水的瞬時(shí)高壓作用會(huì)改變巖層的應(yīng)力結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，使其粘結(jié)力降低、頂板強(qiáng)度下降，促進(jìn)巖層節(jié)理裂隙的進(jìn)一步發(fā)育和擴(kuò)展，破壞堅(jiān)硬頂板的應(yīng)力傳遞條件。

水壓致裂頂板弱化技術(shù)的基本原理是，通過向鉆孔內(nèi)注入高壓水，當(dāng)注水壓強(qiáng)超過巖體的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，鉆孔壁四周會(huì)發(fā)生破裂現(xiàn)象，產(chǎn)生裂隙。由于地下巖體中存在大量的黏土礦物，遇水極易出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，高壓水隨著鉆孔壁裂隙不斷滲透，使巖體內(nèi)部出現(xiàn)粘結(jié)力降低、強(qiáng)度下降等現(xiàn)象。同時(shí)，在高壓水作用下，鉆孔裂隙內(nèi)部的巖石顆粒不斷摩擦，裂隙弱面的正壓力分布不均，導(dǎo)致節(jié)理裂隙進(jìn)一步出現(xiàn)延伸和擴(kuò)展。隨著高壓水的不斷注入，當(dāng)相鄰壓裂孔裂隙不斷延伸至貫通時(shí)，泵壓停止上升，堅(jiān)硬頂板巖層完整性得到弱化破壞。

2.3 水壓致裂參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)水壓致裂頂板弱化原理，結(jié)合22117 綜采工作面頂板巖層條件，設(shè)計(jì)水壓致裂參數(shù)及施工方案。由自重應(yīng)力及注水壓力應(yīng)不小于煤巖體抗拉強(qiáng)度的原則，確定致裂水力壓力為45 MPa。22117 綜采工作面頂板堅(jiān)硬巖層厚度為16 m，以細(xì)粒砂巖、粉砂巖復(fù)合巖層為主，屬于特厚層難垮落頂板。在綜采工作面進(jìn)行水力壓裂頂板弱化施工，要求注水孔整齊排列布置，鉆孔直徑為44 mm，鉆孔深度為10～35 m。水壓致裂施工鉆孔布置如圖3，具體施工工藝為：

圖3 水壓致裂施工鉆孔布置（m）

（1）采用后退式單孔多次壓裂工藝，間隔距離為5 m。同時(shí)根據(jù)鉆孔窺視結(jié)果和圍巖強(qiáng)度調(diào)整水力致裂工藝，注意觀察施工期間是否出現(xiàn)連續(xù)響動(dòng)和突水特征。一旦施工過程出現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止操作，撤出工作人員并對頂板情況進(jìn)行進(jìn)一步觀測。

（2）注水壓裂時(shí)間確定為20～35 min，需操作人員時(shí)刻監(jiān)測注水壓力變化和注水巖層返水情況，一旦出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象，停止注水并記錄注水時(shí)間。

（3）施工完成后，依次關(guān)閉壓力閥，拆卸水力壓裂設(shè)備。當(dāng)有兩孔同時(shí)進(jìn)行注水時(shí)，避免并行作業(yè)誘發(fā)礦山壓力顯現(xiàn)，兩孔間距應(yīng)大于40 m。

3 工程應(yīng)用及效果

在22117 綜采工作面進(jìn)行水壓致裂頂板弱化技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用，監(jiān)測液壓支架的工作阻力和周期來壓步距，同時(shí)將22117 工作面礦壓觀測情況與未采用頂板弱化技術(shù)的22115 工作面進(jìn)行對比?，F(xiàn)場應(yīng)用后，從工作面5#支架開始，每隔10 臺(tái)布置一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，記錄22117 綜采工作面液壓支架的工作阻力情況，如圖4。此外，將22115 工作面和22117 工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對比結(jié)果見表1。

圖4 22117 工作面液壓支架工作阻力

表1 22115 工作面和22117 工作面礦壓觀測結(jié)果

通過水壓致裂弱化頂板施工，現(xiàn)場不再出現(xiàn)大面積懸頂問題，采空區(qū)上覆巖層能夠隨著工作面推進(jìn)順利垮落。由表1 可知，22117 綜采工作面液壓支架最大工作阻力為35 MPa，平均值25MPa，較未進(jìn)行頂板弱化的22115 工作面降低了20.5%和20.7%。此外，進(jìn)行堅(jiān)硬頂板弱化后，基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嘁泊蠓档?，約為原來的73%，取得了較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

厚煤層堅(jiān)硬頂板大面積懸頂突然垮落對工作面安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，分析堅(jiān)硬頂板巖層破壞特征，確定致裂水力壓力為45 MPa，鉆孔直徑為44 mm，鉆孔深度為10～35 m，并形成完整的水壓致裂施工方案。22117 綜采工作面采用水壓致裂技術(shù)對堅(jiān)硬頂板弱化施工后，工作面液壓支架工作阻力較優(yōu)化前有明顯降低，效果良好。