工作面膨脹致裂切頂技術(shù)應(yīng)用研究

張 耀

（國(guó)家能源神東石圪臺(tái)煤礦，陜西 榆林 719000）

0 引言

煤炭是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源，其每年的產(chǎn)量直接關(guān)系經(jīng)濟(jì)發(fā)展及國(guó)家安全。目前煤炭資源在我國(guó)化石能源消耗占據(jù)90%以上的比重，在我國(guó)一次能源消耗比例中占據(jù)70%以上的比重，可以看出煤炭資逐步開采完畢，開采的重點(diǎn)向復(fù)雜煤層轉(zhuǎn)移。堅(jiān)硬頂板是指在礦井開采過程中，由于巷道頂板巖性較為堅(jiān)硬，使得頂板無法隨垮隨落，使得巷道出現(xiàn)大面積懸頂[1-2]，大面積的懸頂不僅威脅著礦井的正常生產(chǎn)，同時(shí)會(huì)造成巷道支護(hù)困難[3-4]，為了解決堅(jiān)硬頂板問題，本文以晉北煤業(yè)3208 工作面為研究背景，對(duì)堅(jiān)硬頂板靜態(tài)膨脹致裂技術(shù)進(jìn)行研究，為礦井堅(jiān)硬頂板的治理做出一定的貢獻(xiàn)。

1 背景介紹及模擬研究

1.1 背景介紹

工作面煤層走向N13°W～N8°E，傾向SW-NW，傾角25°，厚度為14.77 m，屬于石炭系太原組中下部，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層中含不穩(wěn)定夾矸，頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

1.2 數(shù)值模擬研究

為驗(yàn)證膨脹致裂可行性，采用3DEC 軟件根據(jù)工作面實(shí)際情況進(jìn)行建模分析，模型尺寸為200 m×1 m×80 m 的三維模型，主要研究90～130 m 范圍，分別對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，固定左右、前后、下邊界位移，對(duì)模型上部施加均布荷載4.87 MPa，同時(shí)在模型內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測(cè)線，切頂前后覆巖運(yùn)移云圖，如圖1所示。

圖1 切頂前后覆巖運(yùn)移云圖（單位：m）

可以看出，在切割頂板之前，覆蓋層被壓縮，導(dǎo)致遠(yuǎn)離工作面的位置發(fā)生坍塌，而靠近工作面的位置沒有明顯的坍塌。此時(shí)，直接頂板較大程度彎曲，形成鉸接結(jié)構(gòu)，在100.0～109.2 m 范圍內(nèi)形成懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂長(zhǎng)度9.2 m。同時(shí)，膨脹劑切割頂部后，坍塌高度為4.71 m，形成1.09 m 的四個(gè)破碎階段，形狀變化較小，用膨脹劑頂切后破斷效果明顯，頂切方案可行。

2 工業(yè)化試驗(yàn)

通過模擬驗(yàn)證了切頂方案可行性后，進(jìn)行工程實(shí)踐，選定傾斜試驗(yàn)段布置，布置示意圖如圖2 所示。

圖2 工作面布置示意圖

圖3 鉆孔布置示意圖

工作面平均一天進(jìn)行5 個(gè)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)長(zhǎng)度為0.6 m，平均一天產(chǎn)生3 m 懸頂，施工方案設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)自由面進(jìn)行設(shè)置。具體的切頂流程如下：首先為壓裂準(zhǔn)備階段，此階段對(duì)材料用量以及鉆孔具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次為施工階段，此階段對(duì)鉆孔進(jìn)行施工，并將材料攪拌注入鉆孔內(nèi)；最后為封孔和致裂階段，對(duì)鉆孔進(jìn)行封閉，進(jìn)行膨脹致裂。

膨脹劑采用益凱建材貿(mào)易公司生產(chǎn)的，鉆孔間距為0.4 m，鉆孔長(zhǎng)度為0.6 m，為傾斜布置，傾斜角度10°，在端頭距離巷旁0.5 m 的位置布置鉆孔，共施加6 個(gè)鉆孔，布置圖如3 所示。

進(jìn)行膨脹劑的配置，按照1∶3 用水?dāng)嚢瑁瑪嚢杈鶆蚝笞⑷牍酀{泵，直到漿液完全沒有膠結(jié)物和固體，然后打開灌漿口；灌漿施工時(shí)，將軟管連接到灌漿出口，將灌漿軟管延伸到灌漿點(diǎn)，然后連接到灌漿鋼管上，用封孔器和灌漿鋼管將封孔器插入孔口，深度為1 m。在整個(gè)灌漿過程中，防止?jié){液倒流。鉆孔灌注泥漿后，取出灌漿鋼管，并在鉆孔中留下封孔器。用錨固劑封孔兩次，避免泥漿流動(dòng)，完成施工過程。端頭支撐壓力曲線如圖4 所示。

圖4 工作面布置示意圖

可以看出，在切割頂板之前，覆蓋層被壓縮，導(dǎo)致遠(yuǎn)離工作面的位置發(fā)生坍塌，而靠近工作面的位置沒有明顯的坍塌。此時(shí)，直接頂板較大程度彎曲，形成鉸接結(jié)構(gòu)，在100～109.2 m 范圍內(nèi)形成懸臂結(jié)構(gòu)，懸臂長(zhǎng)度9.2 m。同時(shí)，膨脹劑頂切后坍塌高度為4.71 m，形成1.09 m 的四個(gè)破碎階段，形狀變化較小，膨脹劑底切后破碎效果明顯，頂切方案可行。如圖4 所示，方形標(biāo)記為非開挖巷道的頂板支護(hù)曲線，圓形標(biāo)記為預(yù)裂過程中端部支護(hù)壓力的變化曲線。灌漿過程完成后7 h 內(nèi)，兩條曲線的趨勢(shì)一致

3 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬驗(yàn)證膨脹開裂和頂部減壓方案的可行性，經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)頂部減壓后頂板坍塌高度為4.71 m，形成的階梯斷層段。

2）根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，給出了膨脹壓裂頂板泄壓技術(shù)方案，同時(shí)給出了方案的具體施工工藝。

3）通過7 h 的膨脹開裂，發(fā)現(xiàn)頂切后端支撐壓力迅速下降，此時(shí)支撐壓力值從26 MPa 迅速下降到16 MPa，下降幅度為10 MPa。