綜采工作面堅硬頂板處理方式的選擇

王建勝

（晉城金成礦建有限責任公司，山西 晉城 048006）

為解決綜采工作面回采期間堅硬頂板難垮性問題，采用定向水力壓裂技術，實現綜采工作面堅硬頂板周期垮落。綜采工作面實施定向水力壓裂技術，高壓水切破完整頂板時，高壓水能充分濕潤頂部巖石，達到頂板垮落時巖塵、煤塵濃度最低目的。對比傳統的爆破預裂頂板技術，定向水力壓力技術生產成本低；防控采空區煤塵自燃效果好。據統計我國煤層賦存條件相對復雜，部分頂板屬于堅硬頂板。科學控制綜采工作面堅硬頂板垮落，將直接影響煤礦的安全生產，影響煤礦智能化發展的進程。

1 背景

王臺鋪煤礦位于山西省晉城市北部約15km，XV號煤成為礦井后期的主采煤層，水文地質條件為復雜性，瓦斯等級為低瓦斯，煤層具有自燃性傾向，煤塵無爆炸性，開拓方式為斜井開拓。采煤方法為走向長壁式綜合采煤法，采高為一次采全高。XV號煤頂板為石灰巖頂板，屬于典型的強度高、整體性好、自穩能力強的頂板，在開采時，頂板大面積來壓對支架沖擊較大，初次來壓和周期來壓步距較大，礦壓顯現明顯。

2 XV號煤頂板巖性特征

根據《王臺鋪煤礦15號煤開采頂板管理技術研究——頂底板及煤層巖性分析報告》可知，XV 號煤層直接頂為K1石灰巖，厚度7.42～10.99m，平均9.32m，致密堅硬，節理裂隙發育，在井田內該層比較穩定，單向抗壓強度平均127.57MPa，單向抗拉強度平均8.16MPa；抗剪切強度平均15.81MPa，頂板堅硬，在開采時對支架沖擊較大，且初次來壓、周期來壓步距均較大，礦壓顯現嚴重。

3 綜采頂板處理高度計算

在保證頂板冒落能對采空區完全充滿，在工作面采高1.93m 的既定條件下，爆破的有效放頂深度H至少為：

H=M(KP-1)

式中：M——采高，取1.93m；

KP——巖石破碎體積膨脹系數，取1.3。

計算得，H=1.93/(1.3-1)=6.4(m)。

因此，確定工作面頂板處理范圍，為沿工作面直接頂以上10m的垂直范圍。

4 綜采工作面頂板處理方案

依據綜采工作面頂板巖性特征及計算垮落控制高度，必須采取人工強制破直接頂方式，處理綜采工作面回采期間的頂板垮落，達到綜采工作面直接頂隨采隨垮，及時充滿采空區，確保回采安全。強制破頂的方式：常用的破頂方式為打孔、火藥爆破預裂，達到強制破頂目的。另外一種為新型頂板控制技術：打孔，水力切割對頂板進行壓裂，達到強制破頂目的。

5 預裂爆破的特點

XV2309工作面，180m切眼初次預裂，需要施工32個炮孔，炮孔總長度為600m。爆破時，需要煤礦許用2號乳化炸藥1224kg，?5.2mm導爆索總用量為1300m，共使用64 發雷管。爆破材料總費用9719 元。投入人工84個工。工作面每推進30m兩巷共施工16個炮孔,炮孔總長度為426m。爆破時，煤礦許用2 號乳化炸藥需834kg，?5.2mm 導爆索總用量為450m，共使用32發雷管。爆破材料費用總計5400元。

預裂爆破處理頂板的缺點：深孔預裂爆破時，需要綜采工作面停止生產，撤人到警戒線外，影響綜采工作面正常的生產組織。深孔爆破時會產生大量的炮煙，爆破后通風排煙時間較長，需要35min，同時伴隨大量的一氧化碳產生，引發一氧化碳超限、報警。綜采工作面推進至地面建筑物保護煤柱附近時，由于王臺鋪煤礦井田內蓋山厚度薄，僅為85～175m。爆破產生的振動對地面建筑物的破壞顯著，造成了不良的社會效應。

6 水力壓裂

所謂水力壓裂，是指利用專用的開鑿鉆頭在普通頂板鉆孔中形成預裂縫，并對橫向切槽段進行封孔，把高壓水注入其中，利用高壓水的水壓使裂縫擴展并延伸，通過高壓水力的作用把完整的定板分割成多塊，由一次垮落變為逐塊垮落，從而確保回采的安全系數。這種技術在天然氣開采、石油開采、地熱資源開發等領域均有應用，用途較廣，效果較好[1]。該工藝實施過程中操作簡單，安全管理難度低，壓裂過程中產生煤塵、煙塵較低等優點。

6.1 水力壓裂控頂工藝

在設計預裂位置，用普通鉆頭進行鉆孔，進入堅硬巖層后要停止鉆進，直徑以56mm 為宜，根據巖層硬度、厚度、工作面長度來確定鉆孔角度及鉆孔長度。將普通鉆頭改為特種鉆頭（可以劃出有橫向裂縫的鉆頭），退出特種鉆頭，再繼續使用普通鉆頭鉆進一段距離，讓壓裂封孔具備有一定的空間。接著把垮時膨脹型鉆孔封隔器和注水管都推到水力壓裂段中。接著用手動泵加壓至膠筒膨脹，達到封孔目的。然后將高壓泵與注水管連接成一體，并啟動高壓泵，直到整個壓裂完成[2]。

6.2 XV1306工作面頂板定向水力壓裂方案

XV1306工作面基本及巖性特征。XV1306工作面走向長度1515.4m，傾向長度為180m，煤層傾角1°～8°，平均為4°，煤層厚度平均2.55m，變異系數為26%，可采指數為1。

采用鉆孔觸探測定XV1306 工作面頂板巖層演示強度，通過對多個鉆孔進行強度測試，巖石單軸抗壓強度與觸探儀臨界破壞壓力近似呈線性相關關系[3]，可用下式描述：

RC=K1+K2Pm

式中：RC——巖體單軸抗壓強度，MPa；

Pm——臨界破壞壓力，MPa；

K1、K2——系數。

因此，采用鉆孔觸探法進行XV1306工作面頂板圍巖強度的測試，測試結果為巖體的單軸抗壓強度約為100MPa。

切眼水力壓裂孔布置：XV1306工作面切眼，朝工作面推進方向布置鉆孔，鉆孔間距一般為20～25m，鉆孔長度為50m，仰角為10°，鉆孔采用直徑56mm；另外一側背對推進方向布置鉆孔，鉆孔間距一般20～25m，鉆孔長度20m，仰角為30°。圖1 為一切眼鉆孔示意圖。鉆孔與工作面切眼相垂直，鉆孔的長度為50m，其仰角為10°。使用直徑為?56mm 進行鉆進，鉆孔之間的間距控制在20m。

圖1 一切眼鉆孔示意圖

XV1306工作面第二切眼傾向長度為180m。鉆孔間距及鉆孔與工作面角度布置如圖2所示，鉆孔長度為50m，仰角12°鉆孔間距20～30m。

圖2 第二切眼水力壓裂孔布置圖

兩順槽壓裂孔布置：XV1306工作面回采超前預裂孔，沿運輸順槽和回風順槽布置如圖3所示，鉆孔長度為50m，孔間距為25m，鉆孔仰角為12°，鉆孔水平投影與巷道夾角為65°，鉆孔采用直徑為56mm 的鉆頭進行鉆進(第一切眼與第二切眼之間回采時，順槽鉆孔沿回風巷單側布置，技術參數不變)。

圖3 兩順槽鉆孔布置示意圖

鉆孔開槽：鉆孔長度為50m 時，利用KZ54 開槽鉆頭分別在15m、20m、30m，45m、48m 處開槽，48m 處開槽后繼續鉆進至50m；鉆孔長度為70m 時，利用KZ54開槽鉆頭分別在15m、20m、30m、45m、50m、60m、68m處開槽，68m開槽后鉆孔進行鉆進至75m，開槽結束后采用靜壓水沖孔，用窺視儀觀察開槽效果。水力壓裂：鉆孔及開槽工藝結束后，采用倒退式壓裂法，如：70m鉆孔，由68m 處開始壓裂第一道開槽，然后依次壓裂60m、50m、40m、30m、20m、10m處開槽。

封孔器的安裝：對組裝封孔器，接好水管后排氣，確認無問題后進行試壓檢查，確保其能夠正常運作，將高壓泵、儲能器接好。對高壓水泵進行調試，水泵進水口接地面引入井下的靜壓水，在出水口位置接通90MPa的高壓管，在高壓管的另一邊接注水鋼管，并在高壓膠管與注水鋼管之間接水壓儀表，特別注意水壓表兩端的連接必須可靠。

高壓泵加壓封孔器，當壓力升至8～18MPa后就停止，對鉆孔口及周邊頂幫情況進行觀察，并對壓力表壓力變化進行觀察記錄，對封孔器能否保壓進行檢驗，若鉆孔內無水流出或壓力不下降，說明封孔正常。在壓裂孔周圍85m處拉警戒線，嚴禁無關人員進入警戒區，操作人員必須在壓裂孔附近15m以外的安全地點進行安全操作。

水力壓裂主要經濟技術指標：定向水力壓裂XV1306工作面頂板切實可行，每個定向水力壓裂孔對頂板的處理范圍，水平方向為20m，垂直方向大于K1石灰巖的厚度，降低堅硬頂板控制成本約30%，切眼初次預裂成本為6750 元，每推進30m，順槽預裂成本為3720元。XV1306工作面初次垮落步距小于32m，周期來壓步距小于11m。通過礦壓在線監測，工作面液壓支架平均工作阻力在4000～5000kN之間[3]。完全能夠滿足綜采工作面設計要求。

7 水力壓裂工藝與傳統預裂爆破工藝比較

設定預裂爆破工藝方案為A 方案；水力壓裂工藝方案為B方案；工藝優劣比較見表1。

表1 工藝優劣比較表

8 結論

通過研究發現水力壓裂工藝具有以下特點：①施工作業時安全管理難度低；②水力預裂操作時人員經過簡單培訓，就能單獨上崗作業，不需要特種作業培訓；③預裂過程中產生大的粉塵影響小，產生的有毒有害氣體少，對井下作業環境影響小；④水力壓力施工成本與爆破預裂成本比較具有成本低的優勢。

9 研究展望

我國堅硬難垮頂板礦井的分布十分廣泛，大都采用爆破技術控制頂板的垮落，爆破技術存在安全性差、成本高、施工困難等缺點。定向水力壓裂技術取代爆破技術處理堅硬難垮頂板，使堅硬頂板控制垮落的精準問題得到了更加科學的方法，同時壓裂時注入水或定向水力壓裂水，在回采期間能有效降低巖塵、煤塵。煤層吸水后硬度軟化降低還能降低采煤機截齒噸煤消耗量節約生產成本。壓裂水逐步滲入采空區，防控采空區煤塵自燃具有積極的意義，是一項綠色環保控制堅硬頂板技術。