綜采工作面堅硬頂板治理方案應用實踐

郭 艮

（山西焦煤集團山煤國際長春興煤業公司，山西 大同 037100）

1 概述

長春興煤礦602 工作面位于井田南盤區，工作面東部為南延盤區大巷二段，南部為601 采空區，西部為礦井西部礦界及山煤集團韓家洼煤礦，北部為603 備用工作面。602 工作面走向長度為1 750 m，傾向長度為230 m，回采煤層為22#層，煤層厚度為9.5 m，傾角為2°，煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 22#煤層頂底板巖性

602 工作面自切眼推進至94 m 過程中，整體采場礦壓顯現緩和，僅在80～90 m 推進過程中，位于斷層附近的25#～37#支架區域呈現一定的礦壓顯現，且支架后方可以看到冒落的砂巖，其余區域無明顯的礦壓顯現。截止工作面推進至94 m，后方采空區懸頂面積已超出2 萬m2，后方懸頂面積較大，若工作面繼續推進，則后方大面積懸頂突然垮落容易導致強烈的礦壓顯現，且采空區有毒有害氣體將涌出，將對工作面安全回采帶來較大隱患。

2 工作面頂板巖性分析及影響

2.1 工作面頂板巖性分析

為了進一步探明602 工作面覆巖情況，在602回風順槽施工了取芯孔，探測頂板垂高40 m 范圍內巖層分布。通過取樣發現頂板40 m 范圍內取芯率較高，部分巖芯長度≥1 m，且從巖性來看，40 m范圍內頂板由一層或者幾層厚度較大的砂巖構成且完整性較好，602 工作面頂板直接頂比較薄，在0.5～1 m 左右。老頂為巨厚的含礫砂巖，強度較高。因此可以看出602 工作面屬于典型的堅硬頂板工作面。

2.2 堅硬頂板對回采影響

（1）來壓步距大，極限采空懸頂面積大。堅硬頂板由于自穩能力強，冒落比較困難，通過對601工作面回采現狀來看，工作面初次來壓步距在110～140 m 之間，最大達160 m，極限采空懸頂面積可達1 萬～3 萬m2，冒落具有瞬時性并具有空氣沖擊和頂板沖擊雙重作用，對工作面的破壞性更為嚴重[1]。

（2）冒落巖石塊度大。由于堅硬頂板整體穩定性強，裂隙發育小，出現冒漏的巖塊體積大。通過對601 工作面采空區垮落巖體觀察發現，平均垮落巖體長度在6.0 m，最大長度達37 m，大巖塊垮落過程中對工作面綜采支架損壞嚴重。同時巖體垮落后采空區空間達不到完全充填，增加了采空區漏風通道數量及寬度，很容易造成采空區自然發火。

（3）冒落高度大。堅硬頂板巖體在回采時很難出現斷裂，隨著工作面推進，堅硬頂板懸頂面積達到極限時很容易發生整體一次性垮落[2]，冒漏高度在40～80 m 范圍內，一次性垮落時產生劇烈的沖擊壓力嚴重威脅工作面安全生產。

（4）來壓時支架載荷大。由于堅硬頂板承載強度高，正常回采時頂板對支架產生壓力小，支架所受載荷小且相對穩定，支架工作阻力處于初撐力狀態。但工作面初次來壓或周期來壓時支架載荷成直線增加，瞬間載荷超過支架額定阻力，造成支架安全閥打開[3]，立柱損壞現象嚴重。

3 頂板水力預裂施工方案

為了有效緩解602 工作面整體回采期間礦壓顯現，決定在工作面順槽采取水力預裂處理堅硬頂板。

3.1 水力預裂鉆孔布置

根據礦方施工進度，確定在602 工作面順槽采用水力壓裂方案處理頂板，試驗區域為回風順槽距離切眼248～300 m 區域，基于順槽的頂板及覆巖情況，共布置三組預裂孔。

（1）第一組距工作面切眼246 m 處開始施工，孔間距6 m，共布置8 個鉆孔，鉆孔方位角水平角為35°，仰角30°，鉆孔深60 m，終孔位置位于煤層上部30 m 砂巖處。

（2）第二組距工作面切眼248 m 處開始施工，孔間距6 m，共布置8 個鉆孔，鉆孔水平角為0°，仰角30°，鉆孔深60 m，終孔位置位于煤層上部30 m 砂巖處。

（3）第三組鉆孔布置在煤層中，分別在距工作面切眼250 m、275 m、300 m 處各施工一個鉆孔，鉆孔水平角為54°，仰角15°，鉆孔深度為60 m，終孔位置位于煤層與直接頂交接處，如圖1 所示。

圖1 602 工作面回風順槽

3.2 高壓注水預裂設備

高壓注水預裂設備主要包括鉆機、鉆頭、清水泵、高壓送水管、高壓注水三段式封孔器等部分組成，具體參數如表2 所示。

表2 高壓注水預裂設備具體參數

3.3 水力預裂工藝流程

水力預裂施工是對鉆孔區段巖體進行囊袋式封堵，然后對封堵空間內高壓注水，在高壓水壓作用下封孔段巖體出現裂縫。巖體預裂起裂后會造成水壓下降，繼續注水確保處于穩壓狀態，在穩壓狀態下巖體裂縫不斷擴張延伸，確保預裂段巖體充分弱化[4]。

（1）采用ZDY-2300LPS 鉆機按設計位置進行鉆孔施工。鉆孔直徑為75 mm，鉆孔每鉆進10 m后及時對鉆孔方位角進行調整，鉆孔施工時準確測量鉆孔深度及方位角確保與設計相符。鉆孔施工完后及時采用靜壓水對孔內煤巖屑進行沖洗，為下一步水力壓裂做準備。

（2）鉆孔施工完后用注水管將FKSS-69/8 型三段式封孔器推至指定預裂位置，然后打壓手動泵向封孔器內高壓注水，封孔器注水后在水壓作用下膨脹與孔壁緊密貼合，如圖2 所示。該封孔器采用自然平衡結構，所以具有承載大、密封性能好等優點。

圖2 水力預裂鉆孔封孔

（3）鉆孔封孔裝置、高壓水管安裝到位后將注水泵出水口與高壓膠管用A 型扣壓連接方式連接，另一端與注水鋼管連接，并采用“O”型圈對連接處進行密封。管路連接到位后對注水泵通電并調試正反轉，確保水泵正常運轉。

（4）所有注水系統安裝到位后對封孔器封堵的封閉環形空間進行高壓注水施工。高壓注水預裂的注水壓力為10～15 MPa；當注水壓力達15 MPa時停止加壓并隨時觀察壓力表數據，當壓力下降為5～10 MPa 時說明封孔段巖體已被預裂，繼續保持注水壓力為10 MPa，使巖體裂隙繼續擴展，從而實現巖體弱化的目的[5]。

3.4 測點布置

工作面支架阻力是表征覆巖破斷、采場礦壓顯現的關鍵參數之一。為了及時掌握工作面礦壓顯現規律，在602 工作面布置了支架阻力在線監測系統，可以實現24 小時數據在線連續監測與傳輸。工作面共布置了13 個觀測分站，如圖3 所示。分別對應6#、16#、26#、36#、46#、56#、66#、76#、86#、96#、106#、116#及128#等13 架支架。為了對比采場各部分來壓情況，將觀測分站劃分為3 個測區：頭部測區（6#、16#、26#、36#）、中部測區（46#、56#、66#、76#、86#）和尾部測區（96#、106#、116#及128#）。在工作面正常生產階段，由于支架阻力曲線隨著上覆巖層破斷、運動呈現類似周期性變化，因此，可以通過支架日常工作阻力變化來判斷工作面來壓情況。

圖3 602 工作面支架阻力在線監測系統布置

4 應用效果分析

4.1 預裂后礦壓顯現情況

2022 年10 月17 日～23 日施工鉆孔并進行預裂，10 月24 日開始工作面緩慢推進，工作面不同區域逐步呈現礦壓顯現，具體表現為：

（1）2022 年10 月12 日～17 日602 工作面停產，整個工作面礦壓不明顯，壓力值為20～25 MPa；10 月17 日19#～34#支架位置頂板來壓，壓力超過40 MPa，其中19#～22#支架基本無行程，其它支架壓力明顯上升，但持續時間較短；10 月18 日機頭割煤4 刀、機尾割煤2 刀后，工作面整體壓力仍保持20～25 MPa。

（2）2022 年10 月25 日早上工作面推進至105 m，19#～36#支架已處于來壓狀態支架有安全閥開啟、立柱下縮現象，局部支架高度為2.8～3.0 m；36#～76#支架后部采空區頂板明顯垮落，其中65#～74#支架后方肉眼可見明顯的垮落頂板，65#～69#支架后方垮落巖層厚度5 m。

（3）2022 年10 月26 日，55#～76#支架區域頂板來壓，支架前后柱壓力由30～34 MPa 增加至40 MPa，安全閥開啟，采高3～3.2 m；工作面其他區域支架壓力穩定，平均壓力為25～28 MPa。

4.2 來壓規律分析

（1）602 工作面推進94 m，采取頂板水力預裂后，到105 m 時1#～106#支架初次來壓明顯；機尾側一般情況下壓力為20～25 MPa，來壓時116#～128#支架部分壓力超過30 MPa，經綜合判斷工作面推進至110 m 時已完成初次來壓，來壓持續5 m，動載系數為1.3～1.7。

（2）截至602 工作面推進300 m，工作面共發生10 次周期來壓，周期來壓步距主要介于17～23 m之間，來壓持續長度為3.5～6.5 m，動載系數為1.27～1.43，相比初次來壓，周期來壓強度降低。

5 結語

通過對602 工作面堅硬頂板采取水力預裂后工作面采場中部頂板實現了分層，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。實施頂板預裂后繼續推進10 m，602 工作面開始初次來壓，來壓步距為工作面初采共推進105 m，持續長度為5 m，來壓強度屬于正常來壓，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，實現了頂板機頭先來壓、中部再來壓、最后機尾部分來壓的目的。