工作面堅硬頂板高能氣體預裂技術研究

楊思凡 郝 凱

（晉能控股集團沁秀煤業有限公司坪上煤業，山西 晉城 048200）

煤礦堅硬頂板目前應用較廣的頂板干預方法包括：頂板注水、炸藥爆破預裂和高能氣體預裂等[1-3]。高能氣體預裂弱化頂板具有與炸藥爆破相同的高壓高速高能氣體，但避免了處理啞炮；與注水相比，不需要專用高壓設備，改善了施工現場環境[4]。擬通過預裂鉆孔巖層層理變化、初次來壓步距、礦壓和來壓期間瓦斯變化特征，考查高能氣體預裂頂板管理的效果，豐富其應用范圍。

1 試驗區概況

試驗地點N3-1 工作面位于山西省長治市，礦井開采3#煤層，埋藏深度為+395～+480 m，采用放頂煤開采，采高2 m。其工作面頂板管理困難，東鄰N3-2 工作面已回采，工作面走向長度575.3 m，可采長度560.3 m，傾向長度278 m。N3-1 工作面地質綜合柱狀圖及頂板巖性描述如圖1。

圖1 N3-1 工作面地質綜合柱狀圖

試驗前的巖層參數測定結果見表1。

表1 巖石力學參數測定結果

試驗區內已開采未預裂的N3-2 和N3-3 工作面，采用自然垮落法時，老頂初次來壓步距大，礦山壓力顯現強烈，懸頂面積超規定，初次來壓步距和直接頂垮落步距大，初采資源浪費多，初次放頂期間回風巷瓦斯濃度較高，上隅角瓦斯存在超限風險。

2 高能氣體預裂巖層工藝

2.1 試驗儀器設備

高能氣體預裂器如圖2。預裂管為空心鋼管，管兩端設有注液孔和排放孔。噴氣閥上有8 個孔，用于高壓氣體噴出；爆破片用于控制爆破壓力；加熱器用于預裂管內液態氣體加熱，增壓引爆；起爆器用于控制加熱器。預裂管Φ53 mm，長2000 mm；預裂反應時長20～40 ms，釋放壓力200～270 MPa。

圖2 高能氣體預裂器結構示意圖

2.2 鉆孔布置

預裂期間，在N3-1 工作面共布置鉆孔37 個，參數見表2。為保證每次預裂作業瓦斯和CO2濃度不超標，每次只預裂2 個鉆孔。試驗壓力270 MPa。

表2 預裂鉆孔參數與預裂管數量

先逐步對切眼的30 個孔進行預裂，從機尾到機頭，再對皮帶順槽5 個孔和軌道順槽2 個孔進行預裂。預裂作業時，先將當天所有的預裂桿全部裝入鉆孔內，檢查整個電路系統無誤后，將引發線與發爆器連接，然后逐個孔進行預裂。為了預防頂板在高能氣體預裂后垮落，在預裂孔口用兩根液壓支柱加強支護，支柱穿鞋戴帽。

3 現場試驗結果

3.1 試驗前后預裂孔口變化

預裂前鉆孔周圍較平展，預裂后孔口附近出現明顯的頂煤下墜、噴落煤渣現象。由于頂網的作用，頂板未發生冒頂。但22 號預裂孔頂煤墜落1 m，孔口附近頂網斷裂，另外還有6 個預裂孔的頂桿出現支護失效（漏液、倒落或傾斜）。

3.2 預裂前后巖性變化

預裂前后窺視表明：預裂前鉆孔壁光滑，層理、裂隙不發育；切眼靠皮順側頂煤整體性較好，工作面中部裂隙較發育；切眼靠近軌順側處直接頂、老頂部位致密，整體性好，裂隙不發育。預裂后頂煤震裂，在0～2 m 范圍內裂隙數量明顯增多；預裂區域范圍內微裂隙條數、裂縫數量明顯增多；預裂管氣體釋放處巖體有明顯的破碎和裂縫；預裂管桿體部位和未預裂區巖石未發生變化，致密，整體性好。

3.3 預裂前后頂板垮落變化

對6 個綜放工作面在頂煤大面積和頂煤全部垮落時機頭、機尾推進時頂板垮落情況進行統計對比，結果見表3。其中N3-1、N3-8、S3-9、S0、S6-2 為實體煤工作面，S5-9 為半孤島面。頂板進行弱化處理后無論是頂煤的大面積垮落還是全部垮落，S6-2和N3-1 工作面均有較大幅度的提前，炸藥預裂和高能氣體預裂頂板的全部垮落或者是大面積垮落相差不大，但高能氣體預裂安全性更高。

表3 工作面頂煤垮落情況對比

3.4 試驗前后初次來壓

在回采期間，對支架工作阻力進行觀測，回采中不同部位液壓支柱工作阻力變化如圖3。

預裂后，工作面支架壓力普遍增大，有些支架安全閥發生卸載現象。回采推進4.65 m 時，壓力由起始壓力13.9 MPa 突然上升到24.5 MPa，至7.8 m時保持24.5 MPa；推進到11.4 m 時，工作面各段壓力增大至27.9 MPa，接近于日常工作最大壓力，此時頂煤開始垮落；推進到16.75 m 時，壓力進一步增大至29.9 MPa，直接頂開始垮落；推進到21.8 m時，工作面平均壓力達到最大35.5 MPa，平均壓力31.3 MPa，此時老頂開始垮落，工作面初次來壓到來。

預裂前后，試驗區內初次來壓特征統計見表4。采取預裂技術后，直接頂垮落從20 m 縮短為16.5 m，平均減少了4 m；老頂垮落從39.7～40.6 m 縮短為21.8 m，初次來壓步距平均減少了18.4 m。直接頂垮落距離平均減少25%，老頂垮落距離平均減少46%，表明預裂效果良好。

表4 初次來壓特征統計 m

高能氣體預裂頂板后，老頂垮落平均減少18.4 m，這18.4 m 內的頂煤可進行放頂開采，共多采出約2.5 萬t 煤炭。同時由于老頂垮落長度約為原來的50%，老頂垮落期間上隅角瓦斯濃度最高為0.6%～0.7%，降低了瓦斯超限風險。

3.5 工作面回采期間瓦斯濃度對比

使用高能氣體預裂工藝后，N3-1 工作面在初采直至頂煤垮落期間工作面內瓦斯涌出量相對較低，尾巷瓦斯濃度最大值和平均值均低于其他非高能氣體預裂工作面始采期間瓦斯濃度，表明高能氣體預裂弱化頂板是一種安全的頂板弱化技術，如表5。

表5 初采前工作面回風巷平均瓦斯濃度對比 %

4 結論

1）高能氣體預裂工作面頂板技術具有安全、低耗和適用范圍廣等特點。2）高能氣體預裂可明顯增加煤巖裂縫數量和裂縫范圍，縮短了垮落距離，降低了工作面壓力顯現，減少了上隅角瓦斯超限風險，提高了回采率。