井工礦堅硬頂煤頂板控制方法的技術經濟分析

陳樹亮，黃炳香

(1.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

堅硬頂板是指采礦工作面回采后不能及時垮落，在采空區形成懸頂，可能會引發圍巖控制與安全保障等一系列問題的頂板。堅硬頂板分為地質堅硬頂板和工程堅硬頂板，地質堅硬頂板是指硬度大、分層厚度大、裂隙不發育的巖層，工作面回采完成后，堅硬頂板往往懸而不掉，當懸頂面積達到極限穩定值后，大面積堅硬頂板瞬間垮落，將采空區中的氣體瞬間擠出，將造成瓦斯超限及次生災害，或形成颶風沖擊人員和設備，甚至造成大面積地面沉陷引發地震等；在采礦工程實踐中，還有一些頂板硬度不大(f≤5)，但完整性較好，裂隙不發育，同時，頂板的支護強度大，工作面推進速度快(8～10 m/d)，由于頂板回轉變形時間不足，往往導致工作面上下端頭形成周期性的懸頂，這種類型的頂板抗壓強度不大，但是由于工程原因導致具有堅硬頂板的特征，稱之為工程堅硬頂板，以神東礦區最為典型。

由于堅硬頂煤不能及時冒落或冒落塊度大，常常導致放煤困難，造成頂煤放出率低、資源浪費等問題；在高瓦斯礦井內，如果大量頂煤遺留在采空區，解吸出大量的瓦斯，容易導致上隅角瓦斯超限或老頂來壓，造成采空區瓦斯大量擠出等問題；易自燃煤層如果大量頂煤遺留在采空區，還會導致采空區遺煤自燃發火，甚至引發采空區瓦斯爆炸。

處理堅硬頂煤和堅硬頂板常用的方法是炸藥爆破[1]，但是安全性較差，《煤礦安全規程》已禁止在采動影響區內使用炸藥爆破，同時炸藥爆破還存在火工品管理復雜、鉆孔工程量大等問題。除采用炸藥爆破法外，部分礦區也進行了二氧化碳相變致裂的試驗，但是因成本高、單孔作用范圍小、技術經濟性差，因此很難大范圍推廣應用。

水力致裂是處理堅硬頂煤和堅硬頂板的一種新的有效技術途徑[2]，通過鉆孔向煤巖體中注入高壓水，在流固耦合的作用下，鉆孔壁產生裂縫并擴展，最終在煤巖體中形成裂縫網絡，具有單孔作用范圍大、安全性高、成本低等優點。本文通過對比分析不同堅硬頂板致裂控制方法的特點、作用范圍、施工管理及經濟性，對目前常用的堅硬頂板(煤)控制方法的技術作出綜合性評價，以期為井工礦堅硬頂板(煤)控制提供指導。

1 堅硬頂板致裂控制方法的特點

堅硬頂板的控制方法主要有深孔爆破、水力致裂、二氧化碳相變致裂、靜力膨脹劑等，各方法各有其優缺點，在采取各種頂板控制方法時應取長補短。

1) 深孔爆破。深孔爆破的破巖原理是將炸藥爆炸的能量作用在煤巖介質上，形成壓碎區和裂隙區，壓碎區由沖擊波和高溫高壓爆生氣體作用形成，裂隙區由壓縮應力波和卸載波以及爆生氣體復合作用形成[3]。深孔爆破是堅硬頂板控制的傳統方法，技術成熟，應用最廣，但存在安全性差、火工品審批管理復雜、深孔裝藥困難等諸多問題。

2) 水力致裂。相比于深孔爆破，水力致裂單孔作用范圍更大，一般可以達到10 m以上，且單孔壓裂范圍與鉆孔的直徑沒有必然關系，但與泵注排量和壓裂時間有關，因此，可以選擇最經濟的鉆孔施工方案。水力致裂的壓裂巖層不受孔深限制，最深壓裂鉆孔可達到100 m以上。此外，水力致裂處理堅硬頂板時不產生火花，安全性更高。

3) 二氧化碳相變致裂。 二氧化碳相變致裂是利用高壓液態二氧化碳瞬間變成氣態，形成氣體高壓破碎煤巖體的過程。二氧化碳相變致裂能量密度低，對應的單孔作用范圍小，但二氧化碳相變致裂是物理變化，不產生火花，在某些特定場所使用安全性較高。

4) 靜力膨脹劑致裂。靜力膨脹劑致裂是利用裝在鉆孔中的靜力膨脹劑加水后發生化學反應，使膨脹劑晶體變形，產生體積膨脹，從而緩慢地將膨脹力(可達30～50 MPa)施加給鉆孔孔壁，將巖石破碎。 其具有無振動、無飛石、無噪音等優點，但是單孔作用范圍比炸藥爆破小得多。 井下工程實踐中靜力膨脹劑鉆孔間排距300 mm×300 mm，同時該化學反應往往都是放熱反應，在高瓦斯礦井和易自燃煤層中使用會有安全隱患，因此在煤礦井下的應用較少。

2 應力環境對爆破與壓裂的影響

用水泥砂漿澆筑3個300 mm×300 mm×300 mm的試塊，在試塊的中心預置一根長度220 mm的封孔器，封孔器底部的裸孔段模擬鉆孔。待試塊完全凝固后，將其中的一個試塊運往野外，將1發電雷管通過封孔器塞入模擬鉆孔底部，為便于觀察爆破后的裂縫范圍，通過封孔器向試塊中注入帶有顏料的水，然后在無圍壓條件下起爆，爆生裂縫擴展到試塊表面(圖1)。

圖1 無圍壓水壓爆破Fig.1 Water pressure blasting without confining pressure

將第2個試塊放入能夠模擬真三軸應力環境的試驗臺中[4]，再將5發電雷管通過封孔器送入到模擬鉆孔底部，通過鋼管向試塊中注入帶有顏料的水，然后加載σ1=12.31 MPa、σ2=10.77 MPa、σ3=9.23 MPa的三軸圍壓，同時起爆5發電雷管后將試塊從試驗臺中取出，試塊表面并沒有肉眼可見的爆生裂隙。將試塊剖開后，試塊內部爆破產生的壓碎區范圍較小，裂隙區范圍也明顯小于無圍壓時裂隙區(圖2)。

圖2 真三軸圍壓加載條件下的水壓爆破Fig.2 Water pressure blasting under true triaxial stress loading

將第3個試塊放入同一個真三軸試驗臺中，加載相同的三軸圍壓后，通過封孔器向試塊中注入高壓水進行水力致裂，直至有大量的水從試驗臺滲出停止注水。將試塊從試驗臺中取出，試塊表面有明顯的水壓裂隙，在外力作用下，試塊可以輕松劈開，水壓裂縫貫穿試塊的表面(圖3)。

圖3 真三軸圍壓加載條件下的水力致裂Fig.3 Hydraulic fracturing under true triaxial stress loading

對比上述三個試驗可以看出，應力環境對爆破的影響較大，在三軸應力環境下(無自由面)爆破的范圍遠小于無圍壓情況下(有自由面)爆破的范圍。在相同的圍壓下通過控制水力致裂時間，可以控制壓裂范圍。

3 基于能量控制的各種破巖方式作用范圍對比分析

3.1 定能量破巖方式與變能量破巖方式

炸藥爆破、二氧化碳相變致裂和靜力膨脹劑三種破巖方式的裝藥量受到鉆孔直徑和鉆孔深度的限制。以炸藥爆破為例，《煤礦安全規程》規定“深孔爆破時封泥長度不得小于孔深的1/3”，因此深孔爆破時最大的鉆孔裝藥量不超過孔深的2/3，一個固定孔徑、固定深度的鉆孔，可以裝入的最大炸藥量是一個定值，炸藥爆破后產生的爆破總能量也為一個定值。經過大量的理論計算和試驗研究，礦用水膠炸藥爆破產生的壓碎區半徑為裝藥半徑的1.5～3倍，裂隙區半徑為裝藥半徑的10～17倍[3,5]。同理，二氧化碳相變致裂和靜力膨脹劑的破巖總能量對于固定的鉆孔來說也是一個定值，這類單個鉆孔中破巖總能量為一個定值的破巖方式被稱為單孔定能量破巖方式。

水力致裂與炸藥爆破等定能量破巖的方式不同，其是用封孔器將鉆孔封閉后，向鉆孔底部持續的輸入高壓水，用高壓水的能量來破碎巖石，破碎巖石的總能量大小隨時間延長而不斷增大，與鉆孔的直徑和鉆孔的深度沒有直接關系。水力致裂單孔作用半徑遠大于定能量破巖方式，可達10～100 m，單孔作用范圍與鉆孔直徑無關，而是隨泵注排量的增大而增大。這種單個鉆孔的破巖能量為一個變化值的破巖方式被稱為單孔變能量破巖方式。

定能量破巖方式破巖總能量受鉆孔直徑和鉆孔深度的制約，為增加破巖能量，在工程實踐中往往通過增加鉆孔直徑和減小鉆孔間距方式來改善巖層致裂效果，同時也增加了鉆孔工程量和巖層致裂成本。單孔變能量的破巖方式因破巖總能量與鉆孔的直徑沒有必然關系，所以在工程實踐中可以根據實際情況選擇最經濟、最方便的孔徑進行施工，施工小直徑的鉆孔既可以提高鉆孔施工速度，又可以降低施工成本，如綜采工作面端頭懸頂水力致裂時通常選用錨索鉆機進行快速施工。

3.2 二氧化碳相變致裂與炸藥爆破的能量對比

在工程實踐中不難發現二氧化碳相變致裂單孔作用范圍比炸藥爆破更小，這是因為二氧化碳相變致裂相比于炸藥爆破的能量密度更低[6]。以煤礦常用的57型二氧化碳致裂器為例，57型致裂器的礦用乳化炸藥當量和TNT炸藥當量見表1[7-8]。在直徑為57 mm、長度為1.48 m的鉆孔段中可以裝入6 907.8 g礦用炸藥，大約是二氧化碳相變致裂能量的10倍，因此，二氧化碳相變致裂在單位鉆孔長度內可以釋放的能量比炸藥爆破低的多。同時，二氧化碳相變致裂的猛度相比與炸藥爆破也低的多，對堅硬巖層的破壞能力有限，煤礦現場主要應用在煤層增透方面。現場試驗表明57型致裂器在煤層中的影響半徑為4.5～5.0 m。

表1 57型致裂器的炸藥當Table 1 Explosive equivalent of type 57 fracturing device

4 致裂控制方法的施工與管理

4.1 各種致裂方法的工程量對比

定能量破巖方式中炸藥爆破的致裂半徑大于二氧化碳相變致裂和靜力膨脹劑致裂，而炸藥爆破的單孔作用半徑可達到20倍的鉆孔半徑，為1～2 m。變能量破巖方式中以水力致裂為例，單孔作用半徑可達10 m以上，比定能量破巖方式高一個數量級。因此，水力致裂的鉆孔間距大于炸藥爆破的鉆孔間距，且水力致裂的作用范圍與鉆孔直徑無關，因此，可以采用最便捷、最經濟的鉆機施工，且鉆孔工程量較低。

水力致裂控制頂板需要封孔和壓裂兩個工序，炸藥爆破需要裝藥和爆破兩個工序。當鉆孔深度大于30 m后的深孔裝藥非常困難，裝藥效率很低，而水力致裂的封孔效率更高，且受鉆孔深度的影響較小。因此，水力致裂控制頂板具有一定的優勢。

4.2 致裂巖層與工作面生產能否協同作業

以綜采工作面端頭懸頂致裂控制為例，采用炸藥爆破的方法施工流程為鉆孔施工-裝藥-撤人-檢查-爆破-再檢查-恢復生產，爆破作業時必須執行“一炮三檢”制度和“三人連鎖爆破”制度，并在起爆前檢查起爆地點的甲烷濃度；采用水力致裂的方法施工流程為鉆孔施工-封孔-壓裂區域警戒-連管壓裂-拆管-解除警戒。水力致裂與炸藥爆破最大的區別在于是否需要停產撤人，水力致裂不需要停產撤人，只是壓裂期間禁止人員從壓裂孔口附近經過，對工作面正常生產影響較小。在工作面超前支護段內超前預裂頂板，待工作面采過后頂板能夠隨采隨冒，水力致裂控制頂板與工作面正常生產能夠協同作業，無需停產，因此勞動效率更高。

此外，爆炸物品的地面管理和井下運輸管理都很復雜，在某些區域地面炸藥庫，必須要有專業安保公司負責安全管理。在煤礦井下，炸藥不允許通過礦車運輸到工作面，都是靠人工背到工作面，工人勞動強度大，人力資源成本高。

5 致裂控制方法的成本

5.1 二氧化碳相變致裂和炸藥爆破的成本對比

二氧化碳相變致裂器每起爆一次就需要將致裂器運輸到地面充裝一次二氧化碳氣體，并更換點火頭和泄能片，考慮二氧化碳氣體成本和致裂器使用壽命，單次相變致裂的使用成本在幾十元到一百多元不等，因此按均價80元/次計算。而57型致裂器的礦用乳化炸藥當量為699.8 g，折算成1 t礦用炸藥的成本為114 285元/t，遠遠高于礦用炸藥的市場價。在不考慮二氧化碳充裝設備折舊費用的情況下，二氧化碳相變致裂比炸藥爆破成本高很多，因此，二氧化碳相變致裂和靜力膨脹劑都是在非常特定的情況下使用。

5.2 炸藥爆破和水力致裂的成本對比

為對比炸藥爆破和水力致裂的工程量和經濟性，以晉城某礦綜采工作面端頭懸頂控制為例比較15111回風巷炸藥爆破和15112回風巷水力致裂兩種頂板控制方法的經濟性。 15111回風巷與15112回風巷都位于礦井東北部，巷道東西布置，埋深186～206 m，主要開采15號煤層，煤層傾角為3°～8°，煤質較軟，賦存穩定，煤層頂板為K2石灰巖，單軸抗壓強度平均為39.55 MPa，煤層底板為泥巖，單軸抗壓強度平均為12.29 MPa。水力致裂對頂板控制較炸藥爆破效果較好(圖4)。

圖4 炸藥爆破與水力致裂技術控制頂板的效果Fig.4 Effect of explosive blasting and hydraulic fracturing technology on hard roof control

5.2.1 炸藥爆破

在工作面回風順槽平行于巷道斜向采空區施工一排鉆孔(圖5)，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔角度為45°，鉆孔長度為13 m，鉆孔間距為6 m，其中單個鉆孔裝藥長度為8 m，封泥長度為5 m，裝藥量為14.2 kg。《煤礦安全規程》規定在工作面采動影響區內禁止爆破，所以頂板預裂爆破孔要超前工作面30 m施工和爆破。因爆破鉆孔的直徑是75 mm，因此需要采用臺式液壓鉆機進行施工，鉆機的施工速度和移動速度都較錨索鉆機慢。根據頂板爆破方案，炸藥爆破100 m堅硬頂板的總費用見表2。

圖5 爆破鉆孔布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of blast borehole layout

表2 炸藥爆破費用明細Table 2 Breakdown of explosive blasting cost

5.2.2 水力致裂

水力致裂鉆孔布置方案如圖6所示。在15112工作面回風巷超前支護段內靠近煤柱側，用錨索鉆機豎直向上施工一組孔直徑為34 mm、孔深為7 m、孔間距為10 m的鉆孔；在15112工作面回風巷超前支護段內靠近工作面側， 用錨索鉆機仰角75°～80°斜向上施工一組孔直徑為34 mm、孔深為7 m、孔間距為10 m的鉆孔。靠近工作面側的鉆孔和靠近煤柱側的鉆孔交錯布置。根據水力致裂方案，水力致裂控制100 m堅硬頂板的總費用見表3。

圖6 工作面端頭懸頂水力致裂控制方案Fig.6 Scheme of hydraulic fracturing for controlling overhanging roof in the end of the working face

表3 水力致裂費用明細Table 3 Breakdown of hydraulic fracturing cost

由表2和表3可知，炸藥爆破100 m堅硬頂板時，水力致裂處理工作面端頭懸頂的成本約為86.5元/m，炸藥爆破處理工作面端頭懸頂的成本約為269.9元/m，因此水力致裂比炸藥爆破成本更低。

6 水力致裂控制方法的經濟與社會效益

6.1 經濟效益

1) 技術經濟性收益。①堅硬頂煤頂板水力致裂控制技術與工作面生產平行作業，產量提高5%以上；②與炸藥爆破放頂相比，水力致裂控制技術的成本降低50%以上。

2) 直接經濟效益。直接經濟效益主要體現在增加礦井產量和降低生產成本兩個方面。

3) 間接經濟效益。安全是最大的效益，事故是最大的損失。山西安平煤礦2016年“3·23”頂板重大事故造成20人死亡，1人受傷，直接經濟損失2 804.4萬元；吉林八寶煤礦2015年“3·29”特別重大事故造成53人死亡、20人受傷，直接經濟損失6 695.4萬元。水力致裂控制技術提高了堅硬頂煤頂板處理的安全性，保障了礦井的安全生產，避免了懸頂事故造成的人員傷亡及經濟損失。

6.2 社會效益

1) 消除了采空區懸頂及其衍生災害的系統性風險，安全效益顯著。水力致裂使頂板及時充分垮落充填采空區，消除了采空區積聚瓦斯的隱患，避免了大面積懸頂突然垮落產生的沖擊、颶風、瓦斯(煤塵)爆炸等重大災害。

2) 水力致裂替代炸藥爆破處理堅硬頂板，提高了技術本身的安全性，避免了爆破引發的系列安全隱患及火工品的復雜管理問題。水力致裂弱化在工程量、費用、施工管理、安全性、控制距離等方面明顯好于傳統的爆破弱化，是井工礦堅硬巖體弱化的發展方向。

3) 水力致裂控制頂煤頂板與工作面生產協同作業，提高了生產效率和安全性，施工期間無需大范圍撤人，可正常生產，保障了采煤作業的連續性。

4) 提高了資源采出率，減少了資源浪費。以銅川某煤礦2303綜放工作面為例，水力致裂后頂煤平均冒放塊度降低了57%，頂煤放出率由30%提高到75%。

5) 改善了工人作業環境，提升了職業安全健康。以銅川某煤礦2303綜放工作面為例，水力致裂后工作面的粉塵濃度降低了27%，避免了大量炸藥同時起爆產生大量的一氧化碳、氮氧化物等有毒有害氣體。

6) 適用于煤礦及非煤井工礦采空區懸頂控制，推廣應用前景廣闊。我國堅硬頂板賦存煤層占30%以上，覆蓋50%以上礦區，堅硬特厚煤層儲量豐富，大量非煤礦山采空區致災需治理。

7 結 論

1) 根據固定鉆孔中破巖能量是否恒定，將炸藥爆破、二氧化碳相變致裂和靜力膨脹劑致裂劃分為定能量破巖方式，將水力致裂劃分為變能量破巖方式。定能量破巖方式受應力環境的影響比變能量破巖方式大，定能量破巖方式在三軸圍壓環境下，破巖能力大大降低。

2) 二氧化碳相變致裂的破巖范圍比炸藥爆破小，成本比炸藥爆破高，但是不產生火花，適用于某些特定的工程背景。

3) 水力致裂控制堅硬頂板比炸藥爆破在工程量、施工便捷性和成本等多個方面有優勢，且能夠與工作面生產協同作業。井工礦堅硬頂板水力致裂控制技術是未來發展方向。