木瓜礦堅硬頂板工作面初采強制放頂技術研究與應用

安彥霖

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

對堅硬頂板工作面，采用技術手段主動進行切頂，破壞巖層的整體性和穩定性，減小頂板的垮落步距，對礦井的安全生產具有重要意義[1-3]。木瓜煤礦頂板為堅硬的石灰巖，單軸抗壓強度在150 MPa以上，巖層整體性好、承載能力強，工作面回采過程中垮落不及時，懸頂面積大，影響安全生產。

1 工程概況

10-201 工作面位于+940 m 水平二盤區，工作面北鄰二盤區三條準備大巷，西為實體煤，南和東靠近礦井井田邊界。工作面蓋山厚度112～315 m，其中黃土層厚度57～190 m，基巖厚度55～125 m。工作面所采煤層為石炭系上統太原組的9 號、10 號煤，其中9 號煤的平均厚度為3.92 m，10 號煤的平均厚度為1.35 m，兩層煤的平均間距為0.7 m，頂底板巖性如圖1。低瓦斯礦井，煤塵有爆炸性，自燃傾向性為Ⅱ類自燃。

圖1 9 號煤頂底板巖性

10-201 工作面開切眼長度245 m，推進距離1081 m，采用綜合機械化一次采全高的開采方式，全部垮落法處理頂板。

2 水力壓裂技術機理

2.1 切頂方式的確定

為了防止頂板大面積來壓，目前常用的方法主要有深孔爆破、高壓注水軟化和水力壓裂三種。其中，高壓注水適用于構造裂隙發育的煤層頂板，對堅硬頂板效果不理想，應用相對較少；深孔爆破技術的工程量大，安全性差，在作業過程中易產生有毒有害氣體，對高瓦斯礦井或自燃煤層條件不適用；水力壓裂技術成本低，施工速度快，安全性、可靠性高，對工作面正常生產干擾小[4]。綜合考慮后確定10-201 工作面采用水力壓裂方式進行切頂卸壓。

2.2 定向水力壓裂切頂機理

堅硬頂板定向水力壓裂技術，首先在巖體中產生一定方向的初始裂隙，然后注入高壓水，使得巖體沿預定裂隙擴展，形成弱面，破壞頂板的完整性；同時，高壓水的注入，對堅硬頂板有軟化作用，對頂板的裂隙擴展和濕潤軟化，促使頂板及時垮落[5-6]。水力壓裂切頂機理如圖2。

圖2 水力壓裂切頂機理

3 水力壓裂主要參數設計

3.1 注水壓力的確定

水力壓裂切頂的注水壓力不低于巖石的抗拉強度，可按下式計算：

P=k（Pz+R）

式中：P為注水壓力，MPa；k為富余系數，取1.3；Pz為巖體內應力，一般與深度以及開采條件和地質條件等有關，可按自重應力計算，MPa；R為壓裂層位的單軸抗拉強度，MPa。

根據10-201 工作面的實際條件，蓋山厚度按270 m 計算，上覆黃土層和基巖的平均容重取23 kN/m2，頂板灰巖的抗拉強度取12 MPa，代入計算可得，注水壓力不低于24 MPa。

3.2 切頂層位的選擇

由工作面頂板的柱狀可以看出，9 號煤頂板為泥巖、石灰巖，造成頂板懸頂面積大的主要關鍵層為石灰巖，將位于煤層上方7.3 m 的厚度為7.7 m 石灰巖作為切頂的目標巖層。切頂鉆孔的終孔深度應在石灰巖層位之上2 m，即位于煤層頂板12 m 以上。

3.3 鉆孔布置

為保證切頂效果，在工作面和兩巷施工切頂鉆孔的基礎上，對切眼內靠近煤壁側的頂板進行水力卸壓。鉆孔布置如圖3。

圖3 切頂鉆孔布置示意圖（m）

兩巷切頂鉆孔從開切眼前方20 m 開始布置，間距為10 m，兩巷各布置5 個。鉆孔深度為20 m，向頂板方向傾斜45°。

開切眼中的鉆孔距離回采幫2.5 m 開始布置，鉆孔間距為10 m，深度20 m 和30 m 的鉆孔依次交替布置。20 m 深鉆孔向上傾斜45°，30 m 深鉆孔向上傾斜30°。

開切眼內距離煤壁3 m 處布置切頂鉆孔，鉆孔深度為20 m，間距為20 m，傾斜角度為45°，如圖4。

圖4 煤壁側切頂鉆孔布置（m）

4 現場應用及效果

4.1 系統組成

水力壓裂系統的設備主要包括切槽工具、封孔器、高壓泵、管路、壓力表、控制閥等，如圖5。

圖5 水力壓裂系統組成

4.2 施工工藝

（1）鉆孔施工

采用ZYJ-1250 型液壓鉆機，在設計位置施工鉆孔，鉆孔直徑為75 mm。要求開孔位置的頂板相對完整，施工時先用普通鉆頭施工至開槽位置，然后更換為開槽鉆頭在孔底進行開槽，最后換回普通鉆頭繼續施工，如此循環直至施工至設計深度。

（2）封孔

安裝水力壓裂設備，連接管路，將專用封孔器推送至設計位置。

（3）注水

封孔結束后開始注水。首先采用中壓注水，將壓力保持在10 MPa 左右，注水一段時間后，逐漸提高注水壓力至設計值。在高壓注水過程中，隨時關注頂板情況，觀察到有水滲出或者聽到斷裂聲音時，及時調整壓力甚至停止注水。

4.3 應用效果

工作面推進過程中，對采空區垮落情況進行觀測，同時記錄支架工作阻力。垮落情況觀測結果見表1。

表1 10-201 工作面頂板垮落情況統計

由頂板垮落情況結合支架工作阻力的觀測結果，可以判斷，10-201 工作面直接頂的初次垮落步距為7.2 m，基本頂初次來壓步距為21.6 m。

根據其他9 號、10 號煤合并開采的工作面礦壓觀測情況分析，直接頂初次垮落步距為10 m，基本頂初次來壓步距一般為40～50 m，并且基本頂初次來壓期間，支架工作阻力明顯升高，部分支架安全閥開啟，平均動載系數為1.78。10-201工作面切頂后，基本頂初次來壓步距為21.6 m，未有支架安全閥開啟，并且平均動載系數為1.37，下降37%，水力壓裂切頂取得了理想的效果。

5 結論

（1）木瓜礦9 號煤頂板上方有兩層堅硬穩定的石灰巖，是造成采空區懸頂面積大、來壓步距長的主要原因，是切頂卸壓的目標巖層。

（2）通過在堅硬巖層中注入高壓水，使得巖體沿預定裂隙形成弱面，破壞了頂板的完整性，同時高壓水對堅硬頂板有軟化作用，促進了頂板及時垮落。

（3）水力壓裂切頂的注水壓力不低于巖石的抗拉強度，由此確定注水壓力不低于24 MPa。

（4）10-201 工作面的實踐表明，水力壓裂技術可以有效破壞堅硬頂板的完整性，促進頂板的及時垮落，減少頂板的大面來壓，有利于工作面安全回采。