綜采工作面末采期間堅硬頂板弱化技術研究

趙立志

（山西汾西中興煤業有限責任公司，山西 交城 030500）

引言

山西某礦區回采3#煤具有埋深淺、近水平以及地質構造簡單等優點。隨著綜采技術以及設備不斷發展，實現綜采設備高效回撤對提升煤炭生產效率具有顯著促進意義。近些年來，礦井不斷推廣應用多通道回撤工藝，綜采設備回撤耗時由以往30 d 以上縮短至10 d 以下。采用多通道回撤工藝時對采面末期頂板管理要求較高，需要避免在回撤期間出現頂板來壓、沿煤壁切頂或者支架壓架等事故[1-4]。對堅硬頂板弱化，降低末采期間礦壓顯現，可為綜采設備回撤創造良好條件，煤礦常用頂板弱化技術有水力壓裂、深孔預裂爆破等。由于3#煤層頂板為堅硬的石灰巖及砂巖，為降低末采期間礦壓顯現并為綜采設備回撤創造良好條件，提出采用水力壓裂技術對頂板進行弱化。

1 工程概況

山西某礦3#煤層3305 綜采工作面上覆為2#煤層2303、2305 綜采工作面采空區，3#煤層與上覆2#煤層層間距為30 m。3#煤層直接頂為砂巖（厚度2.1 m、層理發育），基本頂為細粒砂巖（致密堅硬、鈣質膠結），具體煤層頂板巖性參數見表1。

表1 3#煤層頂板巖性

3305 綜采工作面走向、傾向長分別為4 235 m、258.5 m，開采范圍內煤層厚度均值3.5 m、傾角4°。采面布置的主要綜采設備包括有JOY7LS6C 采煤機、ZY12000/20/40D 液壓支架、SGZ1000/3600 刮板輸送機等，采面正常回采期間推進速度為6.0 m/d，采面正常回采期間礦壓顯現明顯，開采引起超前支承壓力影響范圍約為30～50 m。3305 綜采工作面采用多通道回撤工藝，為降低采面綜采設備回撤期間頂板礦壓顯現程度，礦方經過技術研討采用水力壓裂技術弱化頂板。

2 末采期間頂板弱化技術

2.1 水力壓裂鉆孔布置

針對3305 綜采工作面上覆堅硬、較厚細粒砂巖垮落時礦壓顯著問題，在采面末采期間采用高壓水力壓裂技術對該巖層進行弱化。根據采面開采范圍內頂板巖性、煤巖體特征等，在回撤通道內向頂板施工水力壓裂鉆孔，對頂板進行弱化。在3305 綜采工作面與主回撤通道前30 d，采用ZDY1200S 鉆機向采面方向施工水力壓裂鉆孔，鉆孔孔徑均為56 mm，孔深40 m時按照35°仰角布置、孔深36 m 時按照50°仰角布置，具體主回撤通道內頂板弱化鉆孔布置示意圖見下頁圖1。

圖1 主回撤通道內頂板弱化鉆孔布置示意圖

在回風巷距回撤通道55 m 處施工定向長鉆孔，具體見下頁圖2。水力壓裂方式為分段壓裂式（雙封單拖壓裂方式）。通過采用定向長鉆孔水力壓裂以及回撤通道水力壓裂，可實現回撤通道前方75 m 范圍內頂板弱化，達到降低采面末采期間周期來壓步距以及礦壓顯現強度目的。

圖2 回風巷定向水力壓裂長鉆孔布置示意圖

2.2 頂板弱化工藝

采用水力壓裂技術對3305 綜采工作面頂板弱化工藝流程見圖3。水力壓裂系統包括高壓水泵、壓力表、高壓軟管及封孔器等。頂板堅硬巖層弱化包括壓裂鉆孔封孔、高壓水力壓裂以及注水保壓等[5-7]。注水管連接處密封用“O”型圈，密封效果好且便于拆裝。水力壓裂時使用采用大功率防爆電機，油泵流量為80 L/min、供電電壓為660/1 100 V，額定工作壓力62 MPa。采用流量水壓監測儀對壓裂系統供液流量、壓力等實時監測，便于掌握高壓水力壓裂過程。

圖3 水力壓裂工藝示意圖

水力壓裂過程中水壓保持在20～55 MPa，平均壓裂水壓穩定在30～35 MPa，單個鉆孔壓裂4 次，單次壓裂用水量控制在1.0～2.5 m3。在水力壓裂初期，起縫后供水壓力即會降低，壓裂進入保壓階段。在此階段裂隙擴展并產生新的縫隙，采用專用設備實時獲取壓裂系統中水量、水壓及實時流量，便于提高采面頂底板弱化效果[8-9]。

3 水力壓裂弱化效果分析

具體末采期間及正常回采期間采面推進過程中礦壓顯現統計結果見表2。正常回采時采面周期來壓步距、持續來壓長度分別為16.8 m、6.5 m，末采期間采面周期來壓步距及來壓持續長度分別降至11.5 m、4.0 m；來壓期間液壓支架動載系數由1.69 降至1.35，通過對末采范圍內堅硬頂板進行弱化，采面礦壓顯著程度明顯降低。

表2 采面末采期間及正常回采期間礦壓顯現監測結果

4 結論

1）3305 綜采工作面上覆存在有堅硬且厚度較大的細粒砂巖，為提高綜采設備回撤效率，采面采用多通道回撤工藝，若采面末采期間不對上覆堅硬巖層進行處理，則由于礦壓顯現顯著、超前支承壓力影響范圍廣，導致回撤通道圍巖變形量較大，給后續綜采工作面高效回撤工作開展帶來制約。

2）對3305 綜采工作面頂板覆巖情況、采面斜長以及水力壓裂工藝等進行分析，提出在回撤通道內以及采面回風巷內均布置水力壓裂鉆孔，對末采期間（距離回撤通道75 m 范圍內）對上覆堅硬頂板進行弱化；對弱化鉆孔布置及水力弱化工藝進行分析。現場應用后，末采期間采面周期來壓步距、來壓強度分別降至11.5 m、1.35，礦壓顯現強度明顯降低，為回撤通道圍巖控制及末采期間采面頂板控制創造良好條件。