長春興煤礦22601工作面切頂卸壓技術研究

戎 鵬

(山煤國際能源集團股份有限公司，山西 太原 030006)

頂板事故嚴重影響著煤礦井下工作面的安全生產，尤其是厚煤層堅硬頂板條件下更易發生冒頂事故。支柱、支架損壞嚴重，產量低，效率低，沖擊地壓頻繁，煤炭回收率低，大面積頂板瞬時垮落和基本頂強烈初次來壓和周期來壓等嚴重威脅礦井的安全生產[1-3]。堅硬頂板問題是煤企長期以來一直致力于解決而又難以解決的問題，為了有效避免長春興煤礦22601工作面堅硬頂板懸頂風險，針對具體工作面條件進行切頂卸壓技術研究。

1 工作面概況

長春興煤礦位于山西省大同市左云縣，22601工作面所采煤層為22號煤層，工作面煤層平均厚12.47 m，含3～4層夾矸。工作面東部為南延盤區大巷二段，南部為礦井南部礦界，西部為礦井西部礦界，北部為設計南盤區西南部未開采區域。工作面頂底板巖層巖性如表1所示。

表1 工作面頂底板情況

為了進一步探明22601工作面覆巖情況，在切眼前方，從回風巷施工了取芯孔，探測頂板垂高40 m范圍內巖層分布，得到切眼附近頂板真實情況，頂板40 m內取芯率較高，部分巖芯長度達到或者超過1 m，且從巖性來看，頂板40 m基本為同一巖性。綜合分析可知，22601工作面初采區域頂板為1層厚度為40 m的堅硬砂巖。結合22601工作面覆巖情況，根據相鄰工作面開采經驗，分析得到22601工作面基本頂初次來壓步距為131.2 m.周期性破斷步距為24.6 m.

2 切頂卸壓技術研究

2.1 頂板預裂方式選擇

目前我國頂板預裂方式主要為炸藥爆破及水力預裂兩種工藝，基于各工藝的優缺點，綜合考慮長春興煤礦現狀，認為長春興煤礦應采取水力預裂方式作為頂板的主要弱化措施。首先選取高壓水力預裂工藝在井下進行工業性試驗，在實踐過程中，總結完善適用于22號煤南盤區生產地質條件的水力預裂工藝參數，以有效緩解堅硬頂板帶來的頂板問題。

2.2 水壓預裂頂板治理方案

治理措施實施區域包括切眼及巷道兩個部位，具體方案如圖1所示，其中切眼包括兩組鉆孔，分別標記為③及④；巷道包括兩組鉆孔，分別標記為①及②。

1) 切眼處理措施。整個切眼的頂板處理工程根據圖1(d)、(e)方案布置兩組預裂孔，采用高低位孔交叉布置進行預裂，具體如下：首先，整個切眼均勻布置鉆孔，鉆孔垂直于煤壁，孔間距為10 m，高低孔交叉布置； 其次，第一組為低位孔③，仰角37°，鉆孔深34 m，終孔位置位于煤層上部11 m砂巖處； 最后，第二組為高位孔④，仰角53°，鉆孔深32 m，終孔位置位于煤層上部16 m砂巖處。

2) 巷道處理措施。22601 面及后續面巷道需持續布置長短孔預裂頂板，預裂位置超前采場一段距離，根據圖1(b)、(c)方案施工兩組預裂孔，具體如下：首先，第一組為長孔①，仰角37°，鉆孔深50 m，孔間距10 m，鉆孔與煤壁垂直，終孔位置位于煤層上部21 m砂巖處；其次，第二組為短孔②，仰角53°，鉆孔深34 m，孔間距20 m，鉆孔與巷道夾角10°，終孔位置位于煤層上部18.2 m砂巖處；最后，運輸巷及回風巷均勻布置，方案一致，若打孔速度跟不上推進速度時，運輸巷短孔④可以不打。

2.3 施工工藝要求

采用試驗段預裂流程進行施工。具體施工要求如下：

1) 切眼施工水力預裂工藝時，兩組鉆孔每個鉆孔預裂2次，在巖層中10 m預裂1次，煤層不預裂，每次注水壓力不小于40 MPa；

2) 巷道施工水力預裂工藝時，第一組長孔③每個鉆孔預裂5次，其中巖層每9 m預裂1次，煤層預裂1次。巖層注水壓力不小于40 MPa，煤層的注水壓力按10～12 MPa考慮；第二組短孔④每個鉆孔預裂2次，在巖層中10 m預裂1次，煤層不預裂，每次注水壓力不小于40 MPa；

3) 當采用雙封孔器推不到孔底時，最里一段采用單封孔器在孔底進行1次預裂，隨后采用雙封孔器繼續預裂；

4) 根據現場預裂情況可及時調整預裂位置和預裂次數，預裂時觀察預裂處巷道及錨桿、錨索情況，出現變形或錨桿(索)斷裂的情況時立即停止預裂，并調整預裂方式；

5) 水力預裂技術要求完成鉆孔的軸線近似為一條直線，要求在鉆進過程中盡量降低鉆進速度，減小鉆機進給力，保證鉆孔的直線性；

6) 預裂結束后，首先通過注水管進行鉆孔放水，鉆孔放水時間為預裂時間的1.5～2倍，待放水徹底后方可為封孔器卸壓，嚴禁在放水徹底前進行封孔器卸壓。

3 工程實踐

3.1 預裂效果分析

1) 周期來壓。工作面在120～300 m推進范圍內，水壓預裂后工作面頭部、中部、尾部支架阻力變化情況如圖2所示，圖中橫坐標為支架號，縱坐標為工作面推進度，方框內圈定區域為來壓持續情況。綜合分析可以看出，截止22601工作面推進至300 m進尺，基于支架阻力統計得到工作面共發生10次周期來壓，如圖2及表2所示，可以看出周期來壓步距主要介于17～23 m之間，平均周期來壓18.9 m.來壓持續長度為3.5～6.5 m，動載系數為1.27～1.43，周期來壓強度降低；工作面在推進至213～225 m見方區域時支架呈現大范圍來壓現象，這屬于見方區域誘發的強烈礦壓顯現，與前期預測基本一致；此外，結合圖2所示，246～300 m推進度范圍內來壓強度相比之前減弱，這說明巷道預裂措施提前破壞了頂板的完整性，促進了頂板的及時破斷、弱化了頂板來壓強度。

圖2 預裂后支架礦壓情況

表2 工作面來壓情況統計

2) 初次來壓。在工作面正式回采前對切眼進行水壓預裂頂板，預裂后推進9 m(切眼寬9 m)時，頂煤開始局部垮落，工作面推進16 m時工作面大部可見頂板巖石垮落，工作面開始正常放煤，工作面推進25.8 m時工作面上下兩端頭垮落；推進至29 m時頂板開始初次來壓，來壓范圍為40～120號支架，部分安全閥開啟，局部采高3.2 m，推進至34 m時來壓結束，來壓持續長度5 m，工作面初次來壓結束。

3.2 經濟效益分析

長春興煤礦的22601工作面采用切頂卸壓技術提高了頂煤的回收率，根據以往的工作面回采經驗，工作面推進30～50 m頂煤垮落開始放煤，按平均取40 m計算，本次的初采可多回收煤量：(40-16)×(230-10)×(12-3.5)×1.4×85%=53 407 t，按原煤850元/t計算，可產生45 395 950元，約4 540萬元。

4 結 語

通過22601工作面切頂卸壓實施后觀察礦壓規律可知，初次來壓前預裂方案的實施對堅硬頂板產生了預裂及弱化作用，工作面采場頂板實現了分層垮落，達到了局部斷裂的目的，破壞了采空區頂板的完整性，避免了工作面后方頂板整體垮落的風險。將理論的初次來壓步距132 m縮短至34 m，說明預裂達到了頂板分層分段來壓，避免了大面積突然來壓的風險，實現了頂板安全管理。正常回采期間采取的巷道預裂頂板措施，在一定程度上促進了頂板的破斷，有助于控制采場礦壓。