厚煤層綜采工作面堅硬頂板弱化技術研究

楊勝江

（潞安化工集團潞寧忻峪煤業有限公司，山西 寧武 036700）

對井工煤礦工作面頂板穩定性進行合理控制是保證井下人員、設備安全的必要措施[1]。堅硬頂板具有硬度大、強度高、難垮落的特點，容易造成綜采工作面大面積懸頂。受厚煤層大采高影響，上覆巖層一旦突然垮落，將嚴重威脅礦井安全生產[2]。

潞寧煤業公司22117 綜采工作面直接頂和基本頂主要由硬質砂巖構成，頂板強度大，在實際生產過程中存在大面積懸頂問題，設計并應用水壓致裂頂板弱化技術控制巖層穩定、保證工作面安全開采。

1 概況

22117 綜采工作面平均走向長度為1 460.37 m，設計可采長度1 374.1 m，傾向長231.5 m，煤層厚度4.0 m，位于二二采區中下部，上部為22115 采空區，煤柱15.3 m，下部為22119 回采工作面，未形成回采工作面。

22117 綜采工作面直接頂由細粒砂巖、砂質泥巖和粉砂巖綜合巖層組成。煤層上接2.6 m 細粒砂巖，以長石為主，較堅硬，上接3 m 砂質泥巖，上接5 m 較堅硬的粉砂巖。基本頂為中粒砂巖和細粒砂巖，中粒砂巖厚度2.6 m，以石英為主，鈣質膠結，堅硬，上接23 m 細粒砂巖，以石英為主，鈣質膠結，堅硬。22117 工作面煤巖柱狀示意圖如圖1。

圖1 22117 工作面煤巖柱狀示意圖

2 厚煤層堅硬頂板弱化機理

2.1 厚煤層堅硬頂板控制分析

堅硬頂板的巖石硬度高、巖層完整性好，具備很強的抵抗斷裂能力，導致厚煤層堅硬頂板綜采工作面在開采過程中頂板難以及時破斷垮落，容易形成大面積懸頂。由于厚煤層大采高影響，堅硬頂板一旦發生初次破斷，會造成大體積頂板巖層快速垮落，給工作面人員及設備安全帶來嚴重威脅。因厚煤層堅硬頂板礦山壓力顯現的特殊性，工作面上覆巖層破壞行為更加復雜，由此產生的圍巖控制與安全難題主要有：沖擊地壓、臨空巷道大變形、采空區懸頂、端頭懸頂等[3]。

（1）沖擊地壓

在超前支護段，極易出現應力集中區，由于頂板垮落難度大，巷道兩幫支撐載荷大。伴隨著基本頂的周期來壓，巷道周而復始地出現來壓變形，對于礦井的穩定發展和安全開采有重大影響。

（2）臨空巷道大變形

在工作面回采過程中，受臨空壓力與超前壓力疊加影響，巷道容易產生劇烈變形。鄰近工作面的巷道受采掘交替影響及工作面超前支承壓力與側向支承壓力作用，迎采巷道與臨近回采工作面交鋒前后一定范圍內礦壓顯現劇烈，圍巖變形量大，對工作面安全高效生產造成很大困難。

（3）采空區懸頂

厚煤層堅硬頂板工作面采空區懸頂一般可分為兩類：采煤工作面開切眼懸頂和中部懸頂。在工作面初采時，開切眼位置由于支護強度大、推進距離短、采動影響小，加之堅硬巖層不易破斷，因此開切眼區域在工作面開采初期會形成大面積懸頂。而對于采煤工作面中部來說，當埋深較淺且上覆堅硬頂板厚度大、完整性好時，礦山壓力顯現不明顯。隨著工作面的不斷推進，工作面中部懸頂面積越來越大。當工作面懸頂達到一定面積時，堅硬頂板會在礦山壓力作用下突然發生脆性垮落，產生嚴重的沖擊載荷和頂板大面積來壓，進而誘發礦山壓力災害。

（4）工作面端頭懸頂

采煤工作端頭由于支撐煤柱作用及高強度支護，大多數情況下不能及時垮落，而造成懸頂面積較大。采煤工作面端頭大面積懸頂一旦突然垮落，采空區內的有毒有害氣體將被擠壓流入采煤工作面，會導致工作面瓦斯超限。

2.2 水壓致裂頂板弱化原理

通過水壓致裂技術對頂板進行提前弱化，促進工作面上覆巖層及時垮落，對減少大面積懸頂、維持工作面安全高效生產具有重要意義[4]。

水壓致裂頂板弱化技術的核心是通過水壓提前在頂板切割裂縫，從而改變煤柱上方的懸臂結構，破壞頂板應力傳遞條件，減少巷道的應力集中，增強工作面圍巖的穩定性。采煤工作面大面積懸頂形成的懸臂梁結構是造成頂板突然垮落的主要原因。當在指定位置進行水力致裂切斷懸臂梁結構后，工作面煤柱的懸臂結構由“固支”變為“簡支”，采空區上部巖層及時垮落，避免大面積懸頂。堅硬頂板懸臂梁結構如圖2。

圖2 堅硬頂板懸臂梁結構示意圖

煤系巖層主要由泥巖、砂巖組成，含有多種礦物成分，結構復雜。地下巖石存在遇水易崩解膨脹的黏土礦物，通過水-巖物理化學作用，巖體內部會產生大量的微觀孔隙和節理裂隙，降低堅硬頂板的強度和完整性。水的瞬時高壓作用會改變巖層的應力結構和理化性質，使其粘結力降低、頂板強度下降，促進巖層節理裂隙的進一步發育和擴展，破壞堅硬頂板的應力傳遞條件。

水壓致裂頂板弱化技術的基本原理是，通過向鉆孔內注入高壓水，當注水壓強超過巖體的極限抗拉強度時，鉆孔壁四周會發生破裂現象，產生裂隙。由于地下巖體中存在大量的黏土礦物，遇水極易出現膨脹現象，高壓水隨著鉆孔壁裂隙不斷滲透，使巖體內部出現粘結力降低、強度下降等現象。同時，在高壓水作用下，鉆孔裂隙內部的巖石顆粒不斷摩擦，裂隙弱面的正壓力分布不均，導致節理裂隙進一步出現延伸和擴展。隨著高壓水的不斷注入，當相鄰壓裂孔裂隙不斷延伸至貫通時，泵壓停止上升，堅硬頂板巖層完整性得到弱化破壞。

2.3 水壓致裂參數設計

根據水壓致裂頂板弱化原理，結合22117 綜采工作面頂板巖層條件，設計水壓致裂參數及施工方案。由自重應力及注水壓力應不小于煤巖體抗拉強度的原則，確定致裂水力壓力為45 MPa。22117 綜采工作面頂板堅硬巖層厚度為16 m，以細粒砂巖、粉砂巖復合巖層為主，屬于特厚層難垮落頂板。在綜采工作面進行水力壓裂頂板弱化施工，要求注水孔整齊排列布置，鉆孔直徑為44 mm，鉆孔深度為10～35 m。水壓致裂施工鉆孔布置如圖3，具體施工工藝為：

圖3 水壓致裂施工鉆孔布置（m）

（1）采用后退式單孔多次壓裂工藝，間隔距離為5 m。同時根據鉆孔窺視結果和圍巖強度調整水力致裂工藝，注意觀察施工期間是否出現連續響動和突水特征。一旦施工過程出現異常，應立即停止操作，撤出工作人員并對頂板情況進行進一步觀測。

（2）注水壓裂時間確定為20～35 min，需操作人員時刻監測注水壓力變化和注水巖層返水情況，一旦出現卸壓現象，停止注水并記錄注水時間。

（3）施工完成后，依次關閉壓力閥，拆卸水力壓裂設備。當有兩孔同時進行注水時，避免并行作業誘發礦山壓力顯現，兩孔間距應大于40 m。

3 工程應用及效果

在22117 綜采工作面進行水壓致裂頂板弱化技術現場應用，監測液壓支架的工作阻力和周期來壓步距，同時將22117 工作面礦壓觀測情況與未采用頂板弱化技術的22115 工作面進行對比。現場應用后，從工作面5#支架開始，每隔10 臺布置一個監測點，記錄22117 綜采工作面液壓支架的工作阻力情況，如圖4。此外，將22115 工作面和22117 工作面礦壓觀測數據進行整理，對比結果見表1。

圖4 22117 工作面液壓支架工作阻力

表1 22115 工作面和22117 工作面礦壓觀測結果

通過水壓致裂弱化頂板施工，現場不再出現大面積懸頂問題，采空區上覆巖層能夠隨著工作面推進順利垮落。由表1 可知，22117 綜采工作面液壓支架最大工作阻力為35 MPa，平均值25MPa，較未進行頂板弱化的22115 工作面降低了20.5%和20.7%。此外，進行堅硬頂板弱化后，基本頂的周期來壓步距也大幅降低，約為原來的73%，取得了較好的現場應用效果。

4 結語

厚煤層堅硬頂板大面積懸頂突然垮落對工作面安全生產造成嚴重威脅，分析堅硬頂板巖層破壞特征，確定致裂水力壓力為45 MPa，鉆孔直徑為44 mm，鉆孔深度為10～35 m，并形成完整的水壓致裂施工方案。22117 綜采工作面采用水壓致裂技術對堅硬頂板弱化施工后，工作面液壓支架工作阻力較優化前有明顯降低，效果良好。