综采工作面三角区悬顶的控顶技术

杜 茂

（神华神东煤炭集团 柳塔煤矿连采二队，内蒙古 鄂尔多斯 017200）

1 研究背景

综采工作面回采过程中两顺槽三角区容易产生大面积悬顶，其原因是巷道掘进时采用了锚杆、锚索、金属网等联合支护，致使顶板不易垮落；顶板岩石的岩性强弱也有一定的影响。因此导致悬顶的距离能够达到15～20 m，造成较大安全隐患。如果三角区悬顶突然垮落产生飓风，就容易压出有毒有害气体造成危害。神东矿区寸草塔二矿、上湾矿、布尔台矿井，多次出现悬顶突落，造成上隅角瓦斯、一氧化碳等有害气体瞬时浓度超限，给煤矿的安全生产带来严重影响。

2 水力致裂技术措施的应用

2.1 注水设备及实施步骤

1）注水设备。加压泵站1台（天津市精诚高压泵制造公司生产，电机型号YBK2-4-160B3；泵站型号3ZSB-158/18），1.5 m3水箱 1 个，70 m2电缆若干，接1 140 V电源，启动器1台，60 MPaDN19高压胶管200 m或按实际增减)，封口器及连接管若干，10号铅丝若干，钳子、活口扳手各一个。再者，提前在顶板指定位置，打φ32 mm钻孔若干。

2）实施步骤。①在施工钻孔或注水作业前，要对作业地点前后10m范围内顶帮状况进行检查，并严格执行敲帮问顶制度，防治片帮伤人。②在靠近皮带作业时，必须停止皮带运转，闭锁并上锁。③注水工作安排在早班设备检修期间进行。④注水作业必须在超前支护范围内进行，并保证注水区域支护可靠。⑤每日注水前必须对高压液管进行全长检查，确保管路完好。⑥封口器送到位后，必须将安装杆与顶网固定牢靠。⑦注水时，注水孔前后20m范围内不得有人员停留，并安排专人设置警戒，严禁任何人通过注水区域。⑧注水时，泵站控制人员与注水观察人员要保持通信畅通，保证可以随时停泵。⑨注水时需人员5人。电工1人，负责送电；泵站司机1人，负责开泵，并记录压力、注水时间等数据；安装封口器，拖曳高压胶管2人，注水时负责顺槽两侧警戒；现场观察1人，负责观察记录注水效果。⑩注水过程中，发现顶板有断裂下沉现象时立即停止注水，并采取措施防止顶板事故发生。11○合理控制注水压力，一般不高于45MPa。12○每班安排专人对实施水力致裂区域顶板进行观察，发现顶板破碎、下沉量增大有冒落危险时，立即汇报跟班领导，采取措施防止顶板事故发生。

2.2 实施方案

1）预裂孔布置。现以结合寸草塔二矿22115胶运顺槽顶板岩性及高压水预裂范围的现场实测，初始预裂孔布置方式为：每排2个孔，距副帮800 mm布置一个，沿巷道中线向采空区打设；另一个距副帮1 800 mm，与综采面呈45°角向采空区打设，钻孔深度7m，与顶板呈60°～70°角，见图1。

2）封孔深度。根据成孔质量，封孔深度设置为2～4 m。

3）现场观测。封孔深度为2m时，与注水孔相邻的锚杆先漏水，然后锚杆大面积漏水，锚杆漏水量大于锚索漏水量；顶板出现明显裂纹，且裂纹漏水量较大。封孔深度大于3m时，与注水孔相邻的锚索先漏水，然后大面积锚索漏水，锚索漏水量大于锚杆漏水量，顶板未出现明显裂纹。

图1 方案一预裂孔布置平面图

4）水压及注水时间。水压在32～45 MPa间，多数在32～42 MPa间，破断水压不大。注水时间5～6 min。

5）辅助退锚措施及垮落情况。不采用退锚措施时，上隅角悬顶长度6～8 m，靠副帮侧滞后距离较远，随周期来压垮落。退锚情况时，上隅角悬顶长度可控制在4～6 m范围内，悬顶长度有所减小。

6）技术分析。①注水破断压力小，多数钻孔大于30 MPa即泄压。寸草塔二矿锚索排距2 000 mm，预裂孔布置排距5 m，存在预裂孔与锚索邻近的现象，导致注水时与锚索钻孔先期导通泄压的情况出现。45°向采空区布置方式，与周边2排锚索存在交叉或邻近现象，也是导致提前泄压的一个原因。②封孔深度。封孔深度在2m以内时，高压水与锚杆钻孔优先导通泄压，对深部预裂效果有限。结合预裂孔成孔质量，封孔深度以2.5～4m为宜。③辅助退锚方面。根据22115综采面采高，水力致裂深度控制在6 m左右即可充实采空区，所以预裂后顶锚索仍起支护作用。如不退锚，综采推过后锚索已破碎，顶板悬吊起来，不能及时垮落。④副帮侧垮落仍存在滞后现象。

3.3 实施方案二

根据方案一的结果，改进为方案二。

1）预裂孔布置方式。每排2个孔，距副帮500 mm布置一个，沿巷道中线向采空区打设，预裂孔排距6 m；另一个布置在巷道中部，垂直向顺槽正帮打设；为避免与锚索钻孔距离过近导致提早泄压，排距为锚索排距的整数倍，布置在两排锚索中间（寸草塔二矿锚索排距为2 m）。钻孔深度8 m，与顶板呈60°～70°，见图 2。

2）封孔深度。根据方案一试验结果，封孔深度在2.5～4 m之间。

图2 方案二预裂孔布置平面图

3）现场观测。经对预裂孔位置及封孔深度调整后，有效避免了与锚杆、锚索导通而提前泄压现象。顶板破断水压有了明显提升，达到38～54 MPa时锚索先行导通漏水，周围锚杆漏水后大面积泄压。顶板无明显裂纹，局部出现条状水痕。冲刷段排距6 m两排孔间锚索、锚杆漏水量较小，存在不漏水的现象，且破断水压较大。

4）辅助退锚措施及垮落情况。按公司规定采取超前退锚措施。正常段悬顶长度基本可控制在2～3 m，靠副帮侧能及时垮落；试验阶段遇小面积冲刷，冲刷段最大悬顶长度仍达9 m左右，且联巷口不能及时垮落。

5）技术分析。冲刷段、联巷口不能及时垮落。因冲刷段顶板岩性较硬，原6 m排距两孔无法导通或导通不充分；按正常排距计算，联巷口范围内只有2排预裂孔，且位置不固定，导致预裂效果差，顶板不能及时垮落。

2.4 实施方案三

根据方案二的结果，改进为方案三。

1）预裂孔布置方式。预裂孔布置方式为每排2个孔，距副帮500 mm布置一个，沿巷道中线向采空区打设；另一个布置在巷道中部，垂直向顺槽正帮打设；为避免与锚索钻孔距离过近导致提早泄压，排距为锚索排距的整数倍，布置在两排锚索中间（寸草塔二矿锚索排距为2 m）。钻孔深度8 m，与顶板呈60°～70°。顶板正常段仍为4 m、6 m间隔布置；冲刷段预裂孔排距为4 m；联巷口布置3排，两侧抹角各1排，联巷中部1排。见图3和图4。

2）封孔深度。因冲刷段顶板岩性较硬，完整性较好，为更好对冲刷段顶板进行致裂，采用单排孔不同封孔深度多次注水的方式。封孔深度由浅至深（2～4 m）。

3）现场观测。封孔深度由浅至深，锚杆、锚索分层次导通，破断水压较之前有所降低，通过漏水情况来看，每两排间所有锚杆、锚索均能导通。

图3 顶板为冲刷段预裂孔布置方式

图4 联巷口预裂孔布置方式

4）辅助退锚措施及采空区垮落情况。按公司规定采取超前退锚措施。冲刷段顶板悬顶长度可控制在4 m以内，且联巷口三角区顶板也能及时垮落。

5）技术分析。从现场实际观测，按照方案三的方式分别顶板岩性和区域布置预裂孔，根据顶板坚硬程度以不同封孔深度进行注水，加之辅助退锚措施，可实现寸草塔二矿上隅角顶板及时垮落。

2.5 实施效果分析

1）寸草塔二矿按照方案三持续进行注水致裂，注水后上隅角悬顶可控制在1～3 m左右，且副帮侧全部垮落。生产时上隅角瓦斯控制在0.3%～0.4%，检修时上隅角瓦斯控制在0.2%～0.3%。

2）根据顺槽顶板岩性确定预裂孔合理的排距，不宜与已支护锚杆锚索距离过近。

3）封孔深度与注水方式。正常段顶板封孔深度在2.5 m以上为宜；遇冲刷等坚硬岩石段可实行2～4 m分阶段封孔，多次注水的方式。

4）破断压力与注水时间。根据寸草塔二矿对22115胶运顺槽150 m试验情况，砂质泥岩段顶板注水压力在32～45 MPa之间；冲刷段顶板注水压力在40～55 MPa之间，注水时间以5～7 min为宜，冲刷段可适当延长。

5）根据注水后顶板状况实行辅助退锚措施。注水孔周边最近的锚杆保留，机头行人通道侧锚杆保留。

6）注水、检修、退锚作业相互配合。先检修、后注水，根据注水后顶板情况决定是否实施退锚作业，确保安全。

3 结束语

水力致裂技术的应用，有效解决了综采工作面三角区大面积悬顶和上、下隅角瓦斯积聚的问题，配合退锚措施使顶板垮落效果更加明显，不仅提升了综采工作面的安全生产程度，而且有效降低了材料成本，经退锚取下的锚索、锚杆托盘、锁具等都能重复利用，提高了经济效益。

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