付永升

（晉城市應(yīng)急救援救護(hù)隊(duì)，山西晉城 048000）

井下采礦是我國(guó)煤炭生產(chǎn)中的主要采掘形式，對(duì)其頂板狀況進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行合理的控制，是降低頂板事故發(fā)生、保證安全高效生產(chǎn)的重要措施。綜采工作面頂板大部分采用完全垮塌方法，但在頂板強(qiáng)度高，完整性好，煤層厚度小的情況下，很可能在采空區(qū)后面出現(xiàn)大面積懸頂。造成一次崩塌區(qū)域大，來(lái)壓強(qiáng)烈，特別是初期采煤階段，容易引發(fā)礦井的壓力災(zāi)害。從多年的實(shí)踐來(lái)看，對(duì)硬頂進(jìn)行提早降壓，能有效地減緩礦井坍塌，并在某種程度上減輕了煤礦的壓力，從而達(dá)到預(yù)防和控制煤礦災(zāi)害的目的。本文以晉能裝備制造集團(tuán)某煤礦94316綜采工作面硬頂板為例，對(duì)不同工作面的頂板進(jìn)行了比較和分析，選擇了適宜的預(yù)裂工藝，為了減小工作面的懸頂面積，減小來(lái)壓臺(tái)階間距，削弱頂板各部位的完整性。為了確保礦井的安全生產(chǎn)，必須加強(qiáng)對(duì)頂板的控制。

1 地質(zhì)條件

晉能控股裝備制造集團(tuán)某礦94316 綜采工作面東為九四西盤區(qū)大巷、94315工作面位于當(dāng)前回采面的南側(cè)，目前已經(jīng)開(kāi)采，東西均為實(shí)體煤，上部3號(hào)煤為該礦2306、2307工作面采空區(qū)及其煤柱，如圖1所示。直接頂?shù)闹饕煞譃橹旅芊凵皫r，節(jié)理的發(fā)育程度較低；基本頂?shù)闹饕煞譃槭ⅲY(jié)構(gòu)為致密細(xì)砂巖，普氏硬度指數(shù)為6，為硬性巖層。94315 工作面的傾斜長(zhǎng)度為133.5m，縱向長(zhǎng)度1540m，礦床的整體結(jié)構(gòu)分布較為穩(wěn)定，變化的范圍較小[1]。該工作面機(jī)械化程度較高，采用了下落煤、裝煤、刮板輸送機(jī)裝煤，采用油管支護(hù)工作面的頂板，采用全崩塌方法進(jìn)行頂煤的開(kāi)采。

圖1 94316綜采工作面位置示意圖

2 堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)

國(guó)內(nèi)外關(guān)于硬頂板采空區(qū)的懸吊問(wèn)題已有很多的研究與實(shí)踐。硬頂板預(yù)裂技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法，即深孔預(yù)裂技術(shù)和深孔頂板定向水壓致裂技術(shù)。兩種硬頂板的退化有其應(yīng)用的條件及存在的缺陷，通過(guò)對(duì)其退化機(jī)制及巖石特性的綜合考慮，采取高效的、有針對(duì)性的防治方案，是解決懸吊問(wèn)題的關(guān)鍵。

2.1 深孔預(yù)裂爆破劣化技術(shù)機(jī)理

硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)的失效機(jī)理，是指在確定了下段應(yīng)力集中區(qū)域后，利用鉆孔裝藥，解決了影響礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度的問(wèn)題。該方法通過(guò)爆炸所產(chǎn)生的高強(qiáng)度瞬間加載，并通過(guò)高溫、高壓、高速氣體的撞擊和熱交換而形成的彈性張拉等方式，實(shí)現(xiàn)了硬頂板的弱化。在爆炸后，沿裂隙方向的巖體將得到均等的壓力，而在預(yù)先確定的裂縫方向上，巖石會(huì)承受較大的瞬間拉力，而巖石自身又具有明顯的拉伸不受壓力特性。在爆破孔洞附近，從內(nèi)部到外部依次出現(xiàn)了極度破碎區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、地震偏移區(qū)，這些區(qū)域的儲(chǔ)能和遷移都會(huì)使頂板巖石產(chǎn)生削弱破壞。另外，由于鄰近爆破孔間裂縫的存在，造成了頂板結(jié)構(gòu)的破壞，同時(shí)，由于受結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用，頂板的自重也受到了影響[2]。在預(yù)開(kāi)裂方向上，出現(xiàn)了一次彎曲斷裂，使兩側(cè)煤塊的擠壓和支承作用減小，從而使堅(jiān)硬頂板得到合理的控制，從而使頂板出現(xiàn)大面積崩塌，從而達(dá)到煤礦安全生產(chǎn)的目的。

2.2 定向水壓致裂劣化技術(shù)機(jī)理

解決煤礦上部硬頂板不易塌陷的另一種重要方法是采用深孔頂板的方向水壓力破壞，通過(guò)壓力作用改變巖石的構(gòu)造和物理、化學(xué)性能，減少了頂板的整體穩(wěn)定性，達(dá)到了采區(qū)硬化頂板劣化的目的。深孔頂板定向水壓裂變技術(shù)是將高壓水注入井中，在壓力大于極限應(yīng)力的情況下，井壁附近會(huì)出現(xiàn)裂縫。地下巖石中含有豐富的粘土礦物，一旦遇到水就容易發(fā)生膨脹，而高壓水流會(huì)通過(guò)井壁裂縫不斷滲入，從而導(dǎo)致巖石的粘結(jié)力降低，強(qiáng)度降低。而在高水壓的影響下，裂隙內(nèi)的巖體顆粒持續(xù)摩擦以及在較低的應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布不均，使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大。在連續(xù)的高壓注水下，鄰近壓裂裂縫繼續(xù)向下擴(kuò)展，等到裂縫貫通后，會(huì)導(dǎo)致泵壓力的增長(zhǎng)停止，從而導(dǎo)致頂板的穩(wěn)定性下降。

2.3 堅(jiān)硬頂板控制技術(shù)對(duì)比分析

兩種不同類型的煤礦開(kāi)采工作面硬化頂板的技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足，其中，方向預(yù)裂技術(shù)施工操作簡(jiǎn)單，預(yù)裂效果好，材料成本低，而且由于方向爆炸引起的集中張應(yīng)力，使得頂板巖體具有較好的破裂效果。同時(shí)，利用聚能管道的防護(hù)效應(yīng)，可以有效地防止爆炸對(duì)周圍巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。然而，深孔預(yù)裂法的降壓技術(shù)還存在著較多的技術(shù)障礙，例如填充的時(shí)間較長(zhǎng)、炮泥容易堵塞管道，CO 的濃度容易超標(biāo)。并且殘炮、拒炮等處理的難度較大，如果出現(xiàn)故障，將給礦井的安全、有效的管理帶來(lái)極大的壓力。另外，在特定時(shí)間內(nèi)，火工產(chǎn)品不能按時(shí)供給也是影響方向爆炸前裂縫切縫技術(shù)的一個(gè)重要限制因素。

采用水對(duì)巖石進(jìn)行多次削弱，具有施工簡(jiǎn)單、成本低、綠色環(huán)保、對(duì)采礦產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)小等特點(diǎn)。在高水壓力和滲流條件下，巖石的總體構(gòu)造與物理、化學(xué)性能發(fā)生變化，頂板裂孔的發(fā)育速度會(huì)加快，直至裂孔貫通，從而會(huì)破壞頂板的整體性，實(shí)現(xiàn)了硬頂面的退化，具有較好的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 定向水壓致裂劣化技術(shù)應(yīng)用

經(jīng)以上比較和分析，在94316 綜放工作面中，應(yīng)用了定向液壓壓裂技術(shù)，防止了礦井因大塊崩塌而造成的煤礦安全生產(chǎn)事故。在不受超前開(kāi)采應(yīng)力作用的情況下，必須依據(jù)礦山應(yīng)力的大小、方向、厚度和長(zhǎng)度等因素進(jìn)行劣化參數(shù)的確定，同時(shí)對(duì)上覆巖的成分進(jìn)行分析，并將其與頂板的構(gòu)造、巖石性質(zhì)相聯(lián)系，制定了一種用于指導(dǎo)水力致裂的技術(shù)方案。具體技術(shù)參數(shù)如下：

（1）水壓致裂鉆孔布置原則。在剖面上設(shè)置了一組定向水壓裂孔，其井距設(shè)置為15m，井長(zhǎng)15m，縱向15m，該孔與垂直方向的角度為30°。從工作面的幫部0.5m處開(kāi)始進(jìn)行定向水壓力打孔，見(jiàn)圖2。該礦94316綜放工作面129.3m，在井下設(shè)置了9個(gè)壓裂孔。

圖2 定向水壓致裂鉆孔布置圖(單位：m)

（2）具體參數(shù)與施工工藝。對(duì)94316工作面進(jìn)行詳盡的研究，得出了井下水壓作用下的壓力在35～65MPa之間，注水時(shí)間在10～30min 之間。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的反饋，提出了一種水壓裂縫的施工技術(shù)：①設(shè)備的裝配，將注水管與封孔機(jī)相連，在進(jìn)行密封測(cè)試后，將其推進(jìn)到預(yù)先確定的液壓破裂部位。②檢驗(yàn)油壓油井的保壓狀況，保證油井在規(guī)定的工作壓力下仍能正常工作。③做好警示標(biāo)志，在井口25m 處設(shè)立警示標(biāo)志，并在壓裂過(guò)程中20m 以內(nèi)不允許任何人進(jìn)出，作業(yè)人員要做好安全保護(hù)工作，并在20m開(kāi)外進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)[3]。④啟動(dòng)液壓致裂機(jī)，開(kāi)啟高壓泵，慢慢增壓，并仔細(xì)檢查壓力表。在預(yù)壓裂縫發(fā)生斷裂、并且壓力數(shù)值在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了快速的下降，則需要采取措施減緩壓力的下降，促進(jìn)節(jié)理裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)大和發(fā)展。⑤終止液壓致裂，關(guān)掉高壓泵，打孔裝置卸壓，并確保儀表的外部完好。

（3）定向水壓致裂施工情況。94316綜采工作面共設(shè)置了9個(gè)水力破裂孔，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐可知，得出了注水時(shí)間為1～27min，最大壓力為36～55MPa，穩(wěn)定水壓為20～42MPa。硬頂板的定向水壓力導(dǎo)致的裂縫破壞在表1中顯示。

通過(guò)對(duì)94316 綜放工作面2、4、6、8 井的定向水壓裂效應(yīng)的觀察，在12～16m 的區(qū)間內(nèi)，水壓作用能在最大程度上影響裂縫的發(fā)展，在該區(qū)域內(nèi)，裂縫的發(fā)育程度較高，有利于頂板的劣化，采用定向水壓法對(duì)裂縫的處理是有效的。

3.2 頂板劣化效果分析

在94316 綜放工作面開(kāi)發(fā)早期采用了定向水壓力破碎工藝，解決了硬頂難以塌陷、大面積崩塌等難題，并阻斷了頂?shù)膲毫鲗?dǎo)途徑，達(dá)到了對(duì)薄煤層工作面硬化頂?shù)挠行д{(diào)控。利用觀察和記錄了井下油管在井下受水壓力作用下的工作壓力（見(jiàn)圖3)，并對(duì)其影響進(jìn)行了研究[4]。

圖3 水壓致裂前后支架工作阻力

從圖3 可以看出，在進(jìn)行水壓破裂之前，最大工作壓力為6900kN，液壓托架有壓頂危險(xiǎn)，超過(guò)了支撐的工作負(fù)荷，并且大多數(shù)支撐的工作阻力都超過(guò)了6500kN。采用水壓裂法，經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)的頂板劣化，測(cè)得工作阻力的最大值為5400kN，下降21.7%，同時(shí)工作面所有支架工作狀態(tài)都未受到影響，工作阻力的安全余量也比較大[5]。另外，從圖4可以看出，頂板退化在降低頂板來(lái)壓步長(zhǎng)方面具有明顯的效果，減少為原來(lái)的56.4%。

圖4 頂板劣化后支架工作阻力

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)94316工作面硬頂巖石特性的分析和判別，分別對(duì)兩種不同的方法對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂，并對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明深孔頂板定向液壓致裂技術(shù)在劣化頂板上具有更好的效果。根據(jù)采場(chǎng)區(qū)的壓力及吊頂條件，同時(shí)對(duì)水壓致裂技術(shù)方案和具體的實(shí)施步驟進(jìn)行深入的分析。通過(guò)測(cè)量裝置采集壓裂前后支架工作壓力的大小，經(jīng)對(duì)比分析，定向水壓壓裂技術(shù)在頂板劣化上效果顯著。