李實(shí)

（山西義棠煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉中 032000）

0 引 言

綜采工作面切巷與進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷連接的區(qū)域，通常將端頭處懸頂面積超過(guò)10 m2稱(chēng)為大面積懸頂[1]。懸頂?shù)男纬膳c工作面煤層頂板的巖性、抗拉/抗壓強(qiáng)度、厚度、節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及工作面進(jìn)風(fēng)巷/回風(fēng)巷支護(hù)方式、強(qiáng)度緊密相關(guān)。受二者影響，工作面在回采時(shí)，頂板來(lái)壓緩慢，難以及時(shí)垮落，繼而形成大面積懸頂，嚴(yán)重威脅工作面及礦井的安全生產(chǎn)[2]。隨工作面的不斷回采，懸頂距離不斷增加，工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯及有害氣體積聚，此時(shí)極易發(fā)生大面積頂板來(lái)壓并且形成垮落，將有害氣體以瞬間沖擊波形式壓入工作面，威脅工作面設(shè)備及人員的安全[3]。因此，亟需解決綜采工作面頂板大面積來(lái)壓垮落威脅安全生產(chǎn)的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)針對(duì)綜采工作面堅(jiān)硬頂板大面積來(lái)壓垮落問(wèn)題的研究核心為頂板致裂技術(shù)，目前成熟的技術(shù)主要有CO2致裂、水力壓裂及預(yù)裂爆破[4]。CO2致裂技術(shù)利用CO2由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，產(chǎn)生體積膨脹的原理使頂板開(kāi)裂，即首先向頂板裝入儲(chǔ)液管，然后使用高壓泵向其注入液態(tài)CO2，之后接通儲(chǔ)液管電流裝置，將液態(tài)CO2轉(zhuǎn)化為氣態(tài)CO2，最后利用CO2體積膨脹壓裂巖石，該技術(shù)僅適用于較完整的頂板，應(yīng)用范圍相對(duì)較小；水力壓裂技術(shù)為向鉆孔內(nèi)注入高壓水分段壓裂頂板巖石并破壞其完整性，應(yīng)用廣泛，但存在用水量較大、排水困難、破巖效率一般、人為管控壓裂效果較差等問(wèn)題；預(yù)裂爆破技術(shù)為通過(guò)在工作面順槽預(yù)先對(duì)頂板進(jìn)行深孔爆破形成裂縫，隨工作面回采頂板自行垮落，是目前應(yīng)用范圍最廣、效果最好的頂板致裂技術(shù)，但成本較高，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。針對(duì)以上問(wèn)題，白洞煤礦研究使用靜態(tài)膨脹劑致裂頂板的技術(shù)，該技術(shù)具有成本低、效果好、應(yīng)用范圍廣及安全風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到預(yù)期的目的。

1 概 況

白洞煤礦主采石炭系5號(hào)煤層，煤層厚度3.22～14.34 m，平均煤厚9.55 m。煤層中夾矸較發(fā)育，平均含4層夾矸，總厚度約2 m，巖性多為炭質(zhì)泥巖。煤層直接頂為泥巖，以黑色碳質(zhì)泥巖為主，屬于薄層狀軟巖層，普氏硬度系數(shù)4～5；老頂為砂礫巖，以中粒砂巖為主，屬于厚層狀中硬—堅(jiān)硬巖，普氏硬度系數(shù)7～9。

此次施工地點(diǎn)選擇8119綜采工作面，該工作面位于301采區(qū)南部右翼，北臨已回采結(jié)束的8105、8107綜采工作面，東臨礦井工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱。工作面埋深326～548 m，剩余回采長(zhǎng)度175 m，因回采前方125 m處附近發(fā)育有F1斷層，為去除斷層對(duì)頂板垮落的影響，選擇工作面回采前方25～125 m作為試驗(yàn)地點(diǎn)，如圖1所示。工作面順槽設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1 730 m，切巷長(zhǎng)度125 m，采用走向長(zhǎng)臂后退式采煤工藝。工作面煤厚3.65～13 m，平均煤厚7.95 m，采高3 m，平均放煤厚度4.95 m，可采系數(shù)為1。直接頂泥巖厚度4.13～5.73 m，平均厚度4.63 m，局部直接頂為炭質(zhì)泥巖，厚度0.2～0.4 m，平均厚度0.3 m；老頂砂礫巖厚度13.11～14.45 m，平均厚度13.78 m，工作面煤層頂?shù)装逯鶢顖D如圖2所示。

圖1 8119工作面及試驗(yàn)地點(diǎn)位置示意Fig.1 Location of test site and No.8119 Face

圖2 工作面煤層頂?shù)装逯鶢顖DFig.2 Coal seam roof and floor histogram of working face

2 靜態(tài)膨脹劑作用機(jī)理

靜態(tài)膨脹劑作用機(jī)理為利用其主要成分CaO與H2O發(fā)生水合反應(yīng)，生成Ca(OH)2。反應(yīng)后的Ca(OH)2固相體積較反應(yīng)前的CaO增大近一倍。隨反應(yīng)后Ca(OH)2固相體積的增大，其內(nèi)部分子之間空隙體積也隨之增大，二者體積增量之和大于其所處固定空間時(shí)，則對(duì)周邊產(chǎn)生膨脹壓力。

按一定配比將靜態(tài)膨脹劑與水?dāng)嚢杈鶆?，之后通過(guò)高壓泵注入鉆孔內(nèi)，生成的Ca(OH)2初呈凝膠狀，等待一定時(shí)間后，呈晶體顆粒狀，顯現(xiàn)不定型、各向異性，體積較反應(yīng)前增大一倍；體積增大過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹壓力可達(dá)25～45 MPa；孔壁受膨脹壓力作用后，受徑向壓應(yīng)力及切向拉應(yīng)力同時(shí)作用，最終致使巖石破裂?？捉橘|(zhì)單元體受力分析如圖3所示。A點(diǎn)同時(shí)受徑向壓應(yīng)力σγ及切向拉應(yīng)力σθ作用，σθ與σγ呈正比關(guān)系，當(dāng)增大至巖體最大破碎強(qiáng)度時(shí)，則A點(diǎn)處開(kāi)始產(chǎn)生徑向裂縫；徑向裂縫隨σθ的增大不斷擴(kuò)大，直至巖體徹底破碎。

圖3 孔介質(zhì)單元體受力狀態(tài)示意Fig.3 Stress state of hole medium unit

3 施工方案

3.1 鉆孔布置

結(jié)合工作面進(jìn)回風(fēng)巷錨桿（索）布置、臨近保護(hù)煤柱、頂板巖性及鉆孔施工難易程度等，通過(guò)進(jìn)行理論分析及模擬試驗(yàn)，確定鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4、圖5所示。鉆孔間排距為800 mm×1 800 mm，每排布置5個(gè)鉆孔，因巷道一幫臨時(shí)保護(hù)煤柱，為優(yōu)化頂板致裂效果，在原每排鉆孔的基礎(chǔ)上，臨近保護(hù)煤柱側(cè)頂板每2排增加1個(gè)鉆孔，即巷頂沿煤柱側(cè)形成一列間距900 mm的鉆孔，則頂板鉆孔整體呈“T”形布置。鉆孔直徑65 mm，孔深10 m，水平夾角60°，豎直夾角25°，向采空區(qū)一側(cè)傾斜。

圖4 鉆孔布置俯視Fig.4 Borehole layout overlooking

圖5 鉆孔布置側(cè)視Fig.5 Borehole layout side view

3.2 注漿工藝

3.2.1 工藝流程

工藝流程分3步進(jìn)行，第一步為準(zhǔn)備工作，進(jìn)行鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備相關(guān)設(shè)備、工具及材料，另外進(jìn)行打孔前的頂板臨時(shí)支護(hù)工作；第二步為施工階段，主要為打孔及注漿；第三步為效果觀察，工藝流程如圖6所示。

圖6 工藝流程Fig.6 Process flow

3.2.2 鉆孔注漿工藝

（1）設(shè)備選擇。

注漿泵采用煤礦用氣動(dòng)注漿泵，常用設(shè)備型號(hào)如ZBQ-25/2.5、ZBQ-15/1.5、ZBQ-40/2.5等，配套氣動(dòng)攪拌器及攪拌桶。

（2）設(shè)備連接。

注漿鉆孔施工完畢后，依次埋入1根7 m長(zhǎng)注漿管至鉆孔見(jiàn)巖處，1根11 m長(zhǎng)返漿管至孔底，之后對(duì)頂煤段進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度6 m。將注漿管與注漿泵出漿管連接，注漿時(shí)，通過(guò)返漿管判斷漿液是否注滿(mǎn)。鉆孔注漿如圖7所示。

圖7 鉆孔注漿示意Fig.7 Drilling grouting indication

（3）注漿步驟。

制漿：制作漿液靜態(tài)膨脹劑與水最優(yōu)重量比為10∶3，首先將定量的水倒入攪拌桶中，之后按配比倒入靜態(tài)膨脹劑，最后使用風(fēng)動(dòng)攪拌器或人工戴橡膠手套均勻攪拌10 min，漿液完全溶解即可。在攪拌桶內(nèi)設(shè)置過(guò)濾網(wǎng)，防止雜物進(jìn)入入漿管內(nèi)。

注漿：注漿開(kāi)始后終壓控制在2～3 MPa，在10 min內(nèi)向鉆孔注入剛制作的漿液鉆孔，保證漿液的流動(dòng)性及破碎效果，嚴(yán)禁超時(shí)。

封管：注漿過(guò)程中時(shí)刻觀察，若返漿管有漿液流出時(shí)，停止注漿，使用封孔膠封閉返漿管。

停機(jī)沖洗：注漿結(jié)束后在攪拌筒中加入一定量清水沖洗注漿泵及管路，將清洗出的廢液排入采空區(qū)。

4 效果分析

（1）在8119工作面頂板注入靜態(tài)膨脹劑漿液，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，等待數(shù)小時(shí)后，在膨脹壓力的作用下，頂板鉆孔內(nèi)出現(xiàn)裂隙聲。隨工作面回采，巷道頂煤出現(xiàn)冒落，且冒落范圍逐漸擴(kuò)大，自由面不斷增加，頂板泥巖及砂礫巖發(fā)生坍塌。工作面推進(jìn)2.4 m后，施工鉆孔注漿區(qū)域頂板接近完全垮落。

（2）通過(guò)對(duì)比應(yīng)用靜態(tài)膨脹劑前后頂板狀況發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用后懸頂距離約2.4 m，懸頂面積顯著減小，且不大于10 m2，解決了大面積頂板垮落及有害氣體積聚的難題，達(dá)到預(yù)期目的。

5 結(jié) 論

（1）為解決8119綜采工作面堅(jiān)硬頂板出現(xiàn)大面積懸頂?shù)膯?wèn)題，結(jié)合工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，分析懸頂形成原因及靜態(tài)膨脹劑作用機(jī)理，制定了科學(xué)合理的鉆孔設(shè)計(jì)及注漿工藝流程標(biāo)準(zhǔn)，成功應(yīng)用了使用靜態(tài)膨脹劑致裂頂板技術(shù)，極大減小懸頂面積和懸頂距離，解決了有害氣體積聚的問(wèn)題。

（2）該技術(shù)具有現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單、無(wú)污染、安全系數(shù)高及經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步完善了綜采工作面大面積懸頂致裂技術(shù)。提高了工作面生產(chǎn)效率，保證了礦井安全生產(chǎn)，為煤礦實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)于類(lèi)似條件下煤礦的安全開(kāi)采具有借鑒意義。