楊思凡 郝 凱

（晉能控股集團(tuán)沁秀煤業(yè)有限公司坪上煤業(yè)，山西 晉城 048200）

煤礦堅(jiān)硬頂板目前應(yīng)用較廣的頂板干預(yù)方法包括：頂板注水、炸藥爆破預(yù)裂和高能氣體預(yù)裂等[1-3]。高能氣體預(yù)裂弱化頂板具有與炸藥爆破相同的高壓高速高能氣體，但避免了處理啞炮；與注水相比，不需要專用高壓設(shè)備，改善了施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境[4]。擬通過(guò)預(yù)裂鉆孔巖層層理變化、初次來(lái)壓步距、礦壓和來(lái)壓期間瓦斯變化特征，考查高能氣體預(yù)裂頂板管理的效果，豐富其應(yīng)用范圍。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)N3-1 工作面位于山西省長(zhǎng)治市，礦井開(kāi)采3#煤層，埋藏深度為+395～+480 m，采用放頂煤開(kāi)采，采高2 m。其工作面頂板管理困難，東鄰N3-2 工作面已回采，工作面走向長(zhǎng)度575.3 m，可采長(zhǎng)度560.3 m，傾向長(zhǎng)度278 m。N3-1 工作面地質(zhì)綜合柱狀圖及頂板巖性描述如圖1。

圖1 N3-1 工作面地質(zhì)綜合柱狀圖

試驗(yàn)前的巖層參數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)已開(kāi)采未預(yù)裂的N3-2 和N3-3 工作面，采用自然垮落法時(shí)，老頂初次來(lái)壓步距大，礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈，懸頂面積超規(guī)定，初次來(lái)壓步距和直接頂垮落步距大，初采資源浪費(fèi)多，初次放頂期間回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛容^高，上隅角瓦斯存在超限風(fēng)險(xiǎn)。

2 高能氣體預(yù)裂巖層工藝

2.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

高能氣體預(yù)裂器如圖2。預(yù)裂管為空心鋼管，管兩端設(shè)有注液孔和排放孔。噴氣閥上有8 個(gè)孔，用于高壓氣體噴出；爆破片用于控制爆破壓力；加熱器用于預(yù)裂管內(nèi)液態(tài)氣體加熱，增壓引爆；起爆器用于控制加熱器。預(yù)裂管Φ53 mm，長(zhǎng)2000 mm；預(yù)裂反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)20～40 ms，釋放壓力200～270 MPa。

圖2 高能氣體預(yù)裂器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 鉆孔布置

預(yù)裂期間，在N3-1 工作面共布置鉆孔37 個(gè)，參數(shù)見(jiàn)表2。為保證每次預(yù)裂作業(yè)瓦斯和CO2濃度不超標(biāo)，每次只預(yù)裂2 個(gè)鉆孔。試驗(yàn)壓力270 MPa。

表2 預(yù)裂鉆孔參數(shù)與預(yù)裂管數(shù)量

先逐步對(duì)切眼的30 個(gè)孔進(jìn)行預(yù)裂，從機(jī)尾到機(jī)頭，再對(duì)皮帶順槽5 個(gè)孔和軌道順槽2 個(gè)孔進(jìn)行預(yù)裂。預(yù)裂作業(yè)時(shí)，先將當(dāng)天所有的預(yù)裂桿全部裝入鉆孔內(nèi)，檢查整個(gè)電路系統(tǒng)無(wú)誤后，將引發(fā)線與發(fā)爆器連接，然后逐個(gè)孔進(jìn)行預(yù)裂。為了預(yù)防頂板在高能氣體預(yù)裂后垮落，在預(yù)裂孔口用兩根液壓支柱加強(qiáng)支護(hù)，支柱穿鞋戴帽。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)前后預(yù)裂孔口變化

預(yù)裂前鉆孔周圍較平展，預(yù)裂后孔口附近出現(xiàn)明顯的頂煤下墜、噴落煤渣現(xiàn)象。由于頂網(wǎng)的作用，頂板未發(fā)生冒頂。但22 號(hào)預(yù)裂孔頂煤墜落1 m，孔口附近頂網(wǎng)斷裂，另外還有6 個(gè)預(yù)裂孔的頂桿出現(xiàn)支護(hù)失效（漏液、倒落或傾斜）。

3.2 預(yù)裂前后巖性變化

預(yù)裂前后窺視表明：預(yù)裂前鉆孔壁光滑，層理、裂隙不發(fā)育；切眼靠皮順側(cè)頂煤整體性較好，工作面中部裂隙較發(fā)育；切眼靠近軌順側(cè)處直接頂、老頂部位致密，整體性好，裂隙不發(fā)育。預(yù)裂后頂煤震裂，在0～2 m 范圍內(nèi)裂隙數(shù)量明顯增多；預(yù)裂區(qū)域范圍內(nèi)微裂隙條數(shù)、裂縫數(shù)量明顯增多；預(yù)裂管氣體釋放處巖體有明顯的破碎和裂縫；預(yù)裂管桿體部位和未預(yù)裂區(qū)巖石未發(fā)生變化，致密，整體性好。

3.3 預(yù)裂前后頂板垮落變化

對(duì)6 個(gè)綜放工作面在頂煤大面積和頂煤全部垮落時(shí)機(jī)頭、機(jī)尾推進(jìn)時(shí)頂板垮落情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。其中N3-1、N3-8、S3-9、S0、S6-2 為實(shí)體煤工作面，S5-9 為半孤島面。頂板進(jìn)行弱化處理后無(wú)論是頂煤的大面積垮落還是全部垮落，S6-2和N3-1 工作面均有較大幅度的提前，炸藥預(yù)裂和高能氣體預(yù)裂頂板的全部垮落或者是大面積垮落相差不大，但高能氣體預(yù)裂安全性更高。

表3 工作面頂煤垮落情況對(duì)比

3.4 試驗(yàn)前后初次來(lái)壓

在回采期間，對(duì)支架工作阻力進(jìn)行觀測(cè)，回采中不同部位液壓支柱工作阻力變化如圖3。

預(yù)裂后，工作面支架壓力普遍增大，有些支架安全閥發(fā)生卸載現(xiàn)象。回采推進(jìn)4.65 m 時(shí)，壓力由起始?jí)毫?3.9 MPa 突然上升到24.5 MPa，至7.8 m時(shí)保持24.5 MPa；推進(jìn)到11.4 m 時(shí)，工作面各段壓力增大至27.9 MPa，接近于日常工作最大壓力，此時(shí)頂煤開(kāi)始垮落；推進(jìn)到16.75 m 時(shí)，壓力進(jìn)一步增大至29.9 MPa，直接頂開(kāi)始垮落；推進(jìn)到21.8 m時(shí)，工作面平均壓力達(dá)到最大35.5 MPa，平均壓力31.3 MPa，此時(shí)老頂開(kāi)始垮落，工作面初次來(lái)壓到來(lái)。

預(yù)裂前后，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)初次來(lái)壓特征統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。采取預(yù)裂技術(shù)后，直接頂垮落從20 m 縮短為16.5 m，平均減少了4 m；老頂垮落從39.7～40.6 m 縮短為21.8 m，初次來(lái)壓步距平均減少了18.4 m。直接頂垮落距離平均減少25%，老頂垮落距離平均減少46%，表明預(yù)裂效果良好。

表4 初次來(lái)壓特征統(tǒng)計(jì) m

高能氣體預(yù)裂頂板后，老頂垮落平均減少18.4 m，這18.4 m 內(nèi)的頂煤可進(jìn)行放頂開(kāi)采，共多采出約2.5 萬(wàn)t 煤炭。同時(shí)由于老頂垮落長(zhǎng)度約為原來(lái)的50%，老頂垮落期間上隅角瓦斯?jié)舛茸罡邽?.6%～0.7%，降低了瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 工作面回采期間瓦斯?jié)舛葘?duì)比

使用高能氣體預(yù)裂工藝后，N3-1 工作面在初采直至頂煤垮落期間工作面內(nèi)瓦斯涌出量相對(duì)較低，尾巷瓦斯?jié)舛茸畲笾岛推骄稻陀谄渌歉吣軞怏w預(yù)裂工作面始采期間瓦斯?jié)舛?，表明高能氣體預(yù)裂弱化頂板是一種安全的頂板弱化技術(shù)，如表5。

表5 初采前工作面回風(fēng)巷平均瓦斯?jié)舛葘?duì)比 %

4 結(jié)論

1）高能氣體預(yù)裂工作面頂板技術(shù)具有安全、低耗和適用范圍廣等特點(diǎn)。2）高能氣體預(yù)裂可明顯增加煤巖裂縫數(shù)量和裂縫范圍，縮短了垮落距離，降低了工作面壓力顯現(xiàn)，減少了上隅角瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)，提高了回采率。