付永升

（晉城市應急救援救護隊，山西晉城 048000）

井下采礦是我國煤炭生產中的主要采掘形式，對其頂板狀況進行分析，并對其進行合理的控制，是降低頂板事故發(fā)生、保證安全高效生產的重要措施。綜采工作面頂板大部分采用完全垮塌方法，但在頂板強度高，完整性好，煤層厚度小的情況下，很可能在采空區(qū)后面出現(xiàn)大面積懸頂。造成一次崩塌區(qū)域大，來壓強烈，特別是初期采煤階段，容易引發(fā)礦井的壓力災害。從多年的實踐來看，對硬頂進行提早降壓，能有效地減緩礦井坍塌，并在某種程度上減輕了煤礦的壓力，從而達到預防和控制煤礦災害的目的。本文以晉能裝備制造集團某煤礦94316綜采工作面硬頂板為例，對不同工作面的頂板進行了比較和分析，選擇了適宜的預裂工藝，為了減小工作面的懸頂面積，減小來壓臺階間距，削弱頂板各部位的完整性。為了確保礦井的安全生產，必須加強對頂板的控制。

1 地質條件

晉能控股裝備制造集團某礦94316 綜采工作面東為九四西盤區(qū)大巷、94315工作面位于當前回采面的南側，目前已經開采，東西均為實體煤，上部3號煤為該礦2306、2307工作面采空區(qū)及其煤柱，如圖1所示。直接頂的主要成分為致密粉砂巖，節(jié)理的發(fā)育程度較低；基本頂的主要成分為石英，結構為致密細砂巖，普氏硬度指數為6，為硬性巖層。94315 工作面的傾斜長度為133.5m，縱向長度1540m，礦床的整體結構分布較為穩(wěn)定，變化的范圍較小[1]。該工作面機械化程度較高，采用了下落煤、裝煤、刮板輸送機裝煤，采用油管支護工作面的頂板，采用全崩塌方法進行頂煤的開采。

圖1 94316綜采工作面位置示意圖

2 堅硬頂板控制技術

國內外關于硬頂板采空區(qū)的懸吊問題已有很多的研究與實踐。硬頂板預裂技術是目前應用最廣泛的一種方法，即深孔預裂技術和深孔頂板定向水壓致裂技術。兩種硬頂板的退化有其應用的條件及存在的缺陷，通過對其退化機制及巖石特性的綜合考慮，采取高效的、有針對性的防治方案，是解決懸吊問題的關鍵。

2.1 深孔預裂爆破劣化技術機理

硬頂板深孔預裂爆破技術的失效機理，是指在確定了下段應力集中區(qū)域后，利用鉆孔裝藥，解決了影響礦壓顯現(xiàn)強度的問題。該方法通過爆炸所產生的高強度瞬間加載，并通過高溫、高壓、高速氣體的撞擊和熱交換而形成的彈性張拉等方式，實現(xiàn)了硬頂板的弱化。在爆炸后，沿裂隙方向的巖體將得到均等的壓力，而在預先確定的裂縫方向上，巖石會承受較大的瞬間拉力，而巖石自身又具有明顯的拉伸不受壓力特性。在爆破孔洞附近，從內部到外部依次出現(xiàn)了極度破碎區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、地震偏移區(qū)，這些區(qū)域的儲能和遷移都會使頂板巖石產生削弱破壞。另外，由于鄰近爆破孔間裂縫的存在，造成了頂板結構的破壞，同時，由于受結構的力學作用，頂板的自重也受到了影響[2]。在預開裂方向上，出現(xiàn)了一次彎曲斷裂，使兩側煤塊的擠壓和支承作用減小，從而使堅硬頂板得到合理的控制，從而使頂板出現(xiàn)大面積崩塌，從而達到煤礦安全生產的目的。

2.2 定向水壓致裂劣化技術機理

解決煤礦上部硬頂板不易塌陷的另一種重要方法是采用深孔頂板的方向水壓力破壞，通過壓力作用改變巖石的構造和物理、化學性能，減少了頂板的整體穩(wěn)定性，達到了采區(qū)硬化頂板劣化的目的。深孔頂板定向水壓裂變技術是將高壓水注入井中，在壓力大于極限應力的情況下，井壁附近會出現(xiàn)裂縫。地下巖石中含有豐富的粘土礦物，一旦遇到水就容易發(fā)生膨脹，而高壓水流會通過井壁裂縫不斷滲入，從而導致巖石的粘結力降低，強度降低。而在高水壓的影響下，裂隙內的巖體顆粒持續(xù)摩擦以及在較低的應力狀態(tài)下的應力分布不均，使裂縫進一步擴大。在連續(xù)的高壓注水下，鄰近壓裂裂縫繼續(xù)向下擴展，等到裂縫貫通后，會導致泵壓力的增長停止，從而導致頂板的穩(wěn)定性下降。

2.3 堅硬頂板控制技術對比分析

兩種不同類型的煤礦開采工作面硬化頂板的技術都有各自的優(yōu)勢和不足，其中，方向預裂技術施工操作簡單，預裂效果好，材料成本低，而且由于方向爆炸引起的集中張應力，使得頂板巖體具有較好的破裂效果。同時，利用聚能管道的防護效應，可以有效地防止爆炸對周圍巖石產生強烈的沖擊。然而，深孔預裂法的降壓技術還存在著較多的技術障礙，例如填充的時間較長、炮泥容易堵塞管道，CO 的濃度容易超標。并且殘炮、拒炮等處理的難度較大，如果出現(xiàn)故障，將給礦井的安全、有效的管理帶來極大的壓力。另外，在特定時間內，火工產品不能按時供給也是影響方向爆炸前裂縫切縫技術的一個重要限制因素。

采用水對巖石進行多次削弱，具有施工簡單、成本低、綠色環(huán)保、對采礦產生的負面效應小等特點。在高水壓力和滲流條件下，巖石的總體構造與物理、化學性能發(fā)生變化，頂板裂孔的發(fā)育速度會加快，直至裂孔貫通，從而會破壞頂板的整體性，實現(xiàn)了硬頂面的退化，具有較好的實用性和應用價值。

3 現(xiàn)場應用

3.1 定向水壓致裂劣化技術應用

經以上比較和分析，在94316 綜放工作面中，應用了定向液壓壓裂技術，防止了礦井因大塊崩塌而造成的煤礦安全生產事故。在不受超前開采應力作用的情況下，必須依據礦山應力的大小、方向、厚度和長度等因素進行劣化參數的確定，同時對上覆巖的成分進行分析，并將其與頂板的構造、巖石性質相聯(lián)系，制定了一種用于指導水力致裂的技術方案。具體技術參數如下：

（1）水壓致裂鉆孔布置原則。在剖面上設置了一組定向水壓裂孔，其井距設置為15m，井長15m，縱向15m，該孔與垂直方向的角度為30°。從工作面的幫部0.5m處開始進行定向水壓力打孔，見圖2。該礦94316綜放工作面129.3m，在井下設置了9個壓裂孔。

圖2 定向水壓致裂鉆孔布置圖(單位：m)

（2）具體參數與施工工藝。對94316工作面進行詳盡的研究，得出了井下水壓作用下的壓力在35～65MPa之間，注水時間在10～30min 之間。根據室內試驗和現(xiàn)場實際情況的反饋，提出了一種水壓裂縫的施工技術：①設備的裝配，將注水管與封孔機相連，在進行密封測試后，將其推進到預先確定的液壓破裂部位。②檢驗油壓油井的保壓狀況，保證油井在規(guī)定的工作壓力下仍能正常工作。③做好警示標志，在井口25m 處設立警示標志，并在壓裂過程中20m 以內不允許任何人進出，作業(yè)人員要做好安全保護工作，并在20m開外進行相應的作業(yè)[3]。④啟動液壓致裂機，開啟高壓泵，慢慢增壓，并仔細檢查壓力表。在預壓裂縫發(fā)生斷裂、并且壓力數值在短時間內發(fā)生了快速的下降，則需要采取措施減緩壓力的下降，促進節(jié)理裂隙的進一步擴大和發(fā)展。⑤終止液壓致裂，關掉高壓泵，打孔裝置卸壓，并確保儀表的外部完好。

（3）定向水壓致裂施工情況。94316綜采工作面共設置了9個水力破裂孔，通過現(xiàn)場實踐可知，得出了注水時間為1～27min，最大壓力為36～55MPa，穩(wěn)定水壓為20～42MPa。硬頂板的定向水壓力導致的裂縫破壞在表1中顯示。

通過對94316 綜放工作面2、4、6、8 井的定向水壓裂效應的觀察，在12～16m 的區(qū)間內，水壓作用能在最大程度上影響裂縫的發(fā)展，在該區(qū)域內，裂縫的發(fā)育程度較高，有利于頂板的劣化，采用定向水壓法對裂縫的處理是有效的。

3.2 頂板劣化效果分析

在94316 綜放工作面開發(fā)早期采用了定向水壓力破碎工藝，解決了硬頂難以塌陷、大面積崩塌等難題，并阻斷了頂的壓力傳導途徑，達到了對薄煤層工作面硬化頂的有效調控。利用觀察和記錄了井下油管在井下受水壓力作用下的工作壓力（見圖3)，并對其影響進行了研究[4]。

圖3 水壓致裂前后支架工作阻力

從圖3 可以看出，在進行水壓破裂之前，最大工作壓力為6900kN，液壓托架有壓頂危險，超過了支撐的工作負荷，并且大多數支撐的工作阻力都超過了6500kN。采用水壓裂法，經過一個循環(huán)的頂板劣化，測得工作阻力的最大值為5400kN，下降21.7%，同時工作面所有支架工作狀態(tài)都未受到影響，工作阻力的安全余量也比較大[5]。另外，從圖4可以看出，頂板退化在降低頂板來壓步長方面具有明顯的效果，減少為原來的56.4%。

圖4 頂板劣化后支架工作阻力

4 結語

通過對94316工作面硬頂巖石特性的分析和判別，分別對兩種不同的方法對頂板進行預裂，并對試驗的結果進行了對比，結果表明深孔頂板定向液壓致裂技術在劣化頂板上具有更好的效果。根據采場區(qū)的壓力及吊頂條件，同時對水壓致裂技術方案和具體的實施步驟進行深入的分析。通過測量裝置采集壓裂前后支架工作壓力的大小，經對比分析，定向水壓壓裂技術在頂板劣化上效果顯著。