大同礦區回采巷道頂板預裂技術應用效果探究

牛福龍

（晉能控股集團有限責任公司山西大同037003）

1 引言

大同礦區自建國以來一直是我國重要的煤炭資源生產基地，礦區目前淺部侏羅系煤層已基本采空，現主采煤層為石炭系特厚煤層。石炭系煤層直接頂多為細粒砂巖組成的堅硬頂板，生產過程中受堅硬頂板影響，回采巷道往往變形嚴重，嚴重制約工作面安全高效生產。

為解決回采巷道的強礦壓問題，我國學者進行了廣泛的探索。董合祥等[1]通過采用小煤柱沿空掘巷的巷道布置形式，從源頭上改變巷道應力環境，極大的緩解了回采巷道變形嚴重問題。高亮等[2]運用地面水力壓裂技術對工作面上覆關鍵層進行了致裂，從采場大結構的角度有效降低了工作面礦壓顯現程度。馮飛龍等[3]通過在回采巷道兩幫及底板施工大直徑卸壓孔有效緩解了巷道局部圍巖應力。吳磊等[4]通過讓壓支護及煤體注漿技術，從加強支護強度和圍巖整體強度的角度有效治理了巷道強礦壓。

可看出，為堅硬頂板造成的巷道強礦壓問題，我國主要從巷道布置形式、遠場關鍵層致裂、強化支護參數以及大直徑卸壓孔等方面展開研究，但上訴解決手段應用于大同礦區后往往治標不治本，未能從根本上解決回采巷道的強礦壓顯現。近年來大同礦區廣泛探索巷道頂板預裂技術，筆者通過對比不同預裂方案技術特征，總結提出可在礦區內廣泛推廣應用的技術手段。

2 巷道頂板預裂原理

隨工作面推進，采空區頂板暴露范圍不斷擴大，其頂板巖層將出現冒落；但采空區頂板巖層較完整、厚度較大、堅硬時，冒落會被擱置一定的時間，在采空區上方將形成不穩定的殘留邊界；沿空巷道圍巖變形大、長期無法穩定主要是堅硬厚頂板懸頂時間長或煤柱上方殘留邊界所引起的。

巷道頂板預裂[5-6]的關鍵就是將臨空側煤柱上方懸臂梁切落，以減小懸臂梁上覆荷載及回轉變形，切斷或大大削弱巖梁傳遞到護巷煤柱和留設巷道內的荷載，從根本上降低懸臂梁結構產生的應力集中，降低巷道圍巖應力，使巷道圍巖應力處于圍巖流變擾動閾值以下，從而達到控制巷道變形量的目的[7]。

未預裂頂板巷道其圍巖壓力要比預裂后的壓力大，表現在窄煤柱、煤壁側煤體內的垂直應力，巷道預裂前后其覆巖結構見圖1。圖1-（a）為未預裂巷道覆巖結構，煤柱側受頂板結構重力FG和懸臂梁結構壓力F壓的雙重作用，F壓是以煤柱為支點出現向上的扭轉力，出現對煤柱造成影響的推力F推，因此未預裂的巷道幫部受頂板壓力、扭轉力的影響出現水平推力導致變形大、支護難[8]。圖1-（b）為預裂后巷道覆巖結構形成，預裂后的頂板懸臂梁結構被切斷，幫部僅受FG影響，因此巷道變形不明顯。

圖1 預裂前后巷道頂板結構

3 巷道頂板預裂技術

針對堅硬頂板回采過程中帶來的巷道強礦壓問題，大同礦區不同礦井根據各自地質條件探索巷道頂板預裂技術，綜合來看大致分為爆破預裂和水力預裂兩大類。

3.1 定向聚能爆破頂板預裂切縫技術

定向聚能爆破是在一種新型的爆破切頂技術，施工工藝簡單，應用時只需要在預裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向對應于巖體預裂方向。爆轟產物將在兩個設定方向上形成聚能流，并產生集中張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。由于鉆孔間的巖石是斷裂的，爆破炸藥單耗將大大下降，同時由于聚能裝置對圍巖的保護，鉆孔周邊巖體所受損傷也大大降低，可以達到實現預裂的同時又可以保護巷道頂板。

3.1.1 應用工作面概況

大同礦區晉華宮8101 工作面2101 小煤柱巷率先采用定向聚能爆破技術預裂巷道頂板。巷道煤層直接頂為4.1 m 厚的灰色細砂巖及砂質頁巖互層，基本頂為9.73 m 厚的灰白粗中砂巖。2101 巷基本頂高度為11 m～13 m，平均12 m。

3.1.2 切縫方案

為減小切頂后巷道懸臂梁的長度，切縫應靠實體煤側布設，同時為使得切縫頂板更容易垮落，切縫采取豎直切縫設計。

2101 巷爆破預裂切頂長度為640 m，切縫深度為11 m～13 m（根據現場探測確定），切縫線距煤柱側幫部500 mm，切縫角度0°，切縫鉆孔間距600 mm，如圖2所示。

圖2 2101巷爆破預裂切頂設計圖

3.1.3 爆破方案

首先需進行單孔爆破試驗，確定合理的裝藥量和封泥長度，再進行間隔爆破，觀察兩相鄰裝藥孔間空孔內裂紋情況，如兩相鄰裝藥孔間空孔裂紋未達到裂縫率要求標準，再進行一次連續爆破試驗，最終確定一次爆破孔數以及爆破方式等，炮孔參數實驗方案見圖3。

圖3 炮孔參數試驗方案

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm。聚能爆破采用三級煤礦乳化炸藥，擬采用炸藥規格為直徑φ28×200 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。具體裝藥參數通過現場試驗確定，爆破實驗方案如表所示。

表1 爆破試驗方案

3.1.4 應用效果分析

晉華宮2101 小煤柱巷定向聚能爆破頂板預裂切縫結果表明：聚能爆破威力較大可對堅硬頂板造成有效裂隙，但裂隙方向難以控制，對巷道側向頂板可達到有效弱化，但由于裂隙發育方向不可控，頂板弱化效果一般。

圖4 聚能爆破鉆孔效果

3.2 水力切割切頂卸壓技術

“高壓水射流割縫+水力壓裂”切頂技術的應用主要是減弱采空區頂板懸頂長度，切斷采空區頂板應力傳遞，減弱對巷道的頂板壓力，控制頂板下沉。為了減少端頭懸頂面積，一方面要對懸頂傾向切頂（即），切斷基本頂與側向支撐點的力學聯系；另一方面，要對懸頂走向切頂，減少端頭走向懸露的跨度。通過高壓水射流對頂板切縫，加水壓致裂對頂板進行壓裂。

3.2.1 應用工作面概況

大同礦區燕子山礦8210 面2210 巷采用高壓水射流技術進行巷道頂板預裂。巷道煤層結構復雜，厚度穩定，煤層有效厚度為5.12 m～9.34 m，有7 至9 層0.12 m～1.18 m 的夾石，平均厚度0.45 m，全厚為7.80 m～11.47 m，煤層屬厚煤層，變異系數9.56%，系穩定煤層，煤層大致走向東西，傾向北，傾角為2°。

3.2.2 切頂鉆孔參數

端頭懸頂切頂層位的確定，并非是將煤層上方頂板完全切頂以填滿采空區，而是要看煤層上方頂板堅硬巖層的層位，且切頂卸壓效果與頂板上方關鍵層頂板斷裂位置和層位有很大關系。因此，切頂層位確定原則是切斷巷道頂板堅硬巖層與采場巷道直接頂、基本頂之間的聯系，從而達到卸壓的目的。

由2210巷頂板巖層賦存可知，頂煤及偽頂平均厚h1=5.7 m，直接頂平均厚h2=8.3 m，基本頂平均厚h3=6.0 m，因此切縫高度H0=h1+h2+h3=20.0 m，切頂巖層選定在頂板上方的粉細砂巖互層與中粒砂巖。為此設計在2210 側切側向懸頂，減少端頭懸頂的面積，改善小煤柱受力狀態。

切割鉆孔長度為21 m，角度為70°，鉆孔間距0.5 m，鉆孔直徑為60 mm，孔內整段進行高壓水切割，設計水壓50 MPa，具體布置參數如圖5所示。

圖5 水利切割鉆孔布置參數

3.2.3 高壓割縫器裝置結構與裝置主要技術參數

超高壓水力割縫裝置主要由金剛石復合片鉆頭、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、超高壓旋轉水尾、超高壓清水泵、高低壓轉換割縫器、超高壓軟管等組成。

圖6 超高壓水力切割設備結構圖

表2 超高壓水力割縫裝置技術參數表

3.2.4 水力壓裂設備組成

水力壓裂設備主要完成水壓封孔、高壓水致裂、保壓注水等主要工序，其主要水箱、高壓泵、高壓管、地質鉆機、高壓鉆桿以及封孔器等裝置組成。其中，高壓泵以及高壓水傳輸系統以及地質鉆機，可與水力割縫裝置共用。

封孔器由中心管和封隔器膠筒組成水路通道，中心管注入高壓水，通向壓裂段，通過高壓水壓裂巖孔；而封隔器與中心管形成的空間，存儲高壓水用以密封壓裂段。通過連桿將兩支封隔器相連，巖孔壓裂段處于兩支封隔器之間。工作時，先用手動泵通過高壓膠管給封隔器膠筒與中心管間隙加壓，密封巖孔壓裂段，不使壓裂段高壓水外泄。封隔器連桿拉住兩只封隔器，保持封隔器平衡，使封隔器與巖孔沒有相對位移。封孔器與鉆桿連接處用“O”型圈密封，螺紋扣連接，長度為1.5 m。鉆桿作用主要表現為兩個方面：其一，作為連接構件將連接好的封隔器系統送至割縫位置；其二，作用加壓通道對封隔的鉆孔段進行壓裂。

圖7 超高壓水力切割工藝示意圖

3.2.5 應用效果分析

燕子山礦2210 巷實施水力切割后對切割鉆孔成縫效果進行窺視，窺視結果表明，水力切割切頂卸壓技術可使巷道端部懸板形成有效的定向裂隙，切裂隙深度可通過切割水壓及時長改變，能有效達到頂板切割目的，窺視結果如下：

圖8 水力切割鉆孔效果

回采過程中對2210 巷水力切割段和正常回采段巷道圍巖變形進行觀測，觀測結果如下：

圖9 巷道表面位移對比

觀測結果表明，巷道采用水力切割切頂卸壓后，兩幫和底鼓表面位移量減少近一半，說明水力切割效果顯著。

3.3 二氧化碳致裂技術

二氧化碳致裂是二氧化碳致裂器利用液態二氧化碳吸熱氣化膨脹，壓力急速上升的原理，在達到目標壓力后瞬間釋放高壓氣體進行破巖、致裂。致裂器具有體積小，便于運送，使用過程安全可靠，威力可控等優點。

在二氧化碳致裂器儲液管內充裝液態二氧化碳，啟動加熱裝置產生大量熱量，使儲液管內液態二氧化碳瞬間氣化，體積膨脹約600 倍，壓力急劇升高，當管內壓力達到定壓剪切片極限強度時，高壓氣體沖破定壓剪切片從釋放管釋放，利用瞬間產生的強大推力，沿煤、巖體的自然裂隙或被爆破引發的裂面沖破物料，從而達到爆破的目的。

3.3.1 應用工作面概況

大同礦區塔山礦8222 工作面5222 巷采用二氧化碳致裂技術對巷道頂板進行預裂。巷道平均埋深約479 m，煤層傾角1°～4°，平均煤厚15.76 m，煤層結構復雜，含夾矸2～17 層，夾矸厚度0.26 m～5.2 m，平均夾矸厚度1.33 m，煤層老頂為粗砂巖、含粒細砂巖、沙質泥巖和砂礫巖。

3.3.2 設備組成

二氧化碳致裂器致裂技術的設備主要由二氧化碳致裂器及輔助設備組成，核心設備是二氧化碳致裂器。二氧化碳致裂器主要由儲液管、加熱裝置、充裝閥、密封墊、定壓剪切片、釋放管及止飛器7部分組成，結構如圖10至圖12。

圖10 二氧化碳致裂器內部構造圖

圖11 二氧化碳致裂器結構圖

圖12 主要部件實物樣圖

（1）充裝閥：液態二氧化碳進入儲液管的開關，當充裝到規定的重量時關閉開關，它必須具有良好的密封性能，采取面接觸式密封。

（2）加熱裝置：由啟動器、發熱材料、保護罩或支架組成，是為致裂器儲液管內液體二氧化碳氣化提供熱能的裝置。啟動器由2 根絕緣腳線、熔絲、引藥組成，用以引燃發熱材料。發熱材料由幾種化工原料配制而成的化學藥劑固體粉末組成，在一定溫度下瞬間產生化學反應，產生很高氣體溫度。

（3）儲液管：高強度合金鋼材所制的耐高壓（≥300 MPa）和耐高溫（≥1 800 ℃）管式容器，用于儲存液態二氧化碳。

（4）密封墊：密封部件，起蓄能作用。

（5）定壓剪切片：控制泄能壓力的部件，可以通過使用不同規格的剪切片從而控制得到不同釋放壓力，一般用200 MPa、250 MPa、300 MPa，目前最大釋放壓力可達400 MPa。

（6）釋放管：儲液管氣體壓力造成定壓剪切片破裂，高壓氣體瞬間從管中噴射出來的元件。

（7）止飛器：起封孔作用，也可叫封孔器。

輔助設備主要有充裝設備、起爆設備及拆裝設備三類。充裝加工設備包括液態二氧化碳儲罐、充裝機、多管充裝臺及安置架，如圖13所示。將組裝好的致裂器固定在充裝臺上，利用充裝機將儲罐內的液態二氧化碳注入致裂器中，充裝完畢將致裂器放置在安置架上，以備使用。利用多管充裝臺可實現多管快速充裝。

圖13 充裝加工設備實物樣圖

起爆設備包括起爆器和起爆專用母線，如圖14所示，利用母線將成組致裂器與起爆器相連，實現遠距離起爆。拆裝設備主要是無損快速組裝器，將爆破后的致裂器回收，拆開更換損壞的密封墊及定壓剪切片，重新組裝成新的致裂器，重復利用。

圖14 起爆設備圖

3.3.3 工藝流程

二氧化碳致裂器致裂技術工藝流程為成孔→送入→撤人→起爆→取出→歸庫。見圖15 在需要爆破的頂板位置打鉆孔，成孔后，利用鉆機送入致裂器，通過若干根連接管，致裂器連接見圖16，實現爆破器精確定位，啟動后，影響范圍相互疊加，實現爆破，疊加爆破效果如圖17所示。

圖15 工藝流程圖

圖16 致裂器連接圖

圖17 疊加爆破

3.3.4 應用效果分析情況

塔山礦2210 巷實施二氧化碳致裂后對鉆孔致裂效果進行窺視，結果表明，二氧化碳致裂威力較小，對于堅硬頂板成縫效果不明顯，且裂隙發育方向不規則，對巷道側向懸頂弱化效果較差，窺視結果見圖18。

圖18 二氧化碳致裂鉆孔效果

4 結論

通過對比分析大同礦區不同礦井巷道堅硬頂板控制技術，水力切割切頂卸壓技術相較于定向聚能爆破以及二氧化碳致裂技術有安全綠色高效等顯著特點，成縫效果好，切縫深度及方向可靠。生產實踐表面：水力切割切頂卸壓技術可有效弱化巷道側向懸板，回采過程中巷道表面位移變化小，巷道圍巖控制效果顯著，技術值得在大同礦區類似地質條件礦井推廣使用。