综采工作面端头三角区悬顶处理措施研究

摘 要：针对综采工作面回采端头造成三角区悬顶的问题，6102综采工作面特采取深孔松动预裂爆破方案和定向水力压裂放顶技术，通过综合比较，定向水力压裂放顶具有安全性高、成本低、适应性强的优点，其能削弱顶板的强度和整体性，现场采用定向水力压裂后实测，巷道顶板在40min以内其有效压裂范围能够达到10m以上，应用效果较好。

关键词：三角区；定向水力压裂；悬顶

为了更好地抓好综采工作面两顺槽顶板安全管理，确保两顺槽采空区顶板随工作面推进及时垮落，减少悬顶面积，防止顶板及次生事故发生，6102综采工作面在回采过程中端头三角区容易产生悬顶，针对6102综采工作面进风巷条件以及以往综采工作面两顺槽采空区顶板管理措施及经验，必须采取专项措施，避免悬顶面积进一步扩大。

1 工程概况

6102工作面为一单斜构造，倾向西南，开采6#煤层，赋存稳定，倾角平缓，一般厚约5.2m，局部煤层厚度有变化，含0-2层夹矸，夹矸厚度约0.1m，对煤质影响不大。煤层顶板为细砂岩、粉砂岩和泥岩，底板为泥岩、炭质泥质。煤岩力学参数见表1。

运输顺槽、回风顺槽为矩形断面，其规格为：毛高2.6m，净高2.5m，毛宽4.5m，净宽4.3m；顶帮均采用锚杆支护。切眼规格为：毛高2.6m，净高2.5m，毛宽7.0m，净宽6.8m；巷道支护采用锚杆支护，锚索补强。切眼东帮为四趟风水管路，切眼内中部还有一排木点柱加强支护。切眼内中部有一个2×1.5m的临时水仓。

2 方案设计

2.1 深孔松动预裂爆破方案

在综采面煤壁以东12m-32m区段，间隔3m布置一组炮孔，每组炮孔布置5个单孔，以扇形形式布置，炮孔方位均垂直煤层，按照不同倾角向上布置；每个炮孔进入顶板岩层的厚度为20m，沿顶板倾向方向终孔间距5m，封孔长度20m，详见表2炮眼参数及装药量说明表。通过以上方式对该区段内未垮落的顶煤和顶板进行强制预裂爆破，炮孔的最小抵抗线不小于3m，以此处理综采面采空区大面积悬顶现象，剩余悬顶区段待下分段采面回采前进行强制放顶。

顶板深孔预裂爆破使用的炸药选用煤矿许用乳化炸药，炮眼装药结构采用不偶合连续装药结构，即每15节炸药段安装一个引药引爆，每个引药安装两个雷管，每个炮眼所有引药必须利用煤矿许用放炮母线串联，装药及起爆方式为正向起爆方式。炮眼封泥选用较潮湿的黄土和专用封孔水泥，其中孔口以内3m区段采用水泥封堵，其他封孔区段采用黄土进行封堵炮孔。

2.2 定向水力压裂放顶方案

根据6102综采工作面顶板围岩强度、围岩性质与结构、地质构造、水文地质和地应力场特征，结合在其他煤矿综采工作面的压裂经验等进行的定向水力压裂进行设计。

2.2.1 切眼水力压裂钻孔布置

6102综采工作面切眼内煤壁侧钻孔长度为50m，仰角10°；切眼老塘侧钻孔长度为30m，仰角17°，切眼内钻孔共计18个。另在机头机尾再补充四个钻孔，补充钻孔从综采工作面切眼两端处顶板进行补打。工作面机尾煤壁侧补充钻孔长度为50m，仰角10°，切眼老塘侧钻孔长度为30m，仰角17°；工作面机头煤壁侧补打钻孔长度为50m，钻孔水平投影与巷道夹角为15°，切眼老塘侧钻孔长度为30m，仰角17°；钻孔采用直径为Φ56mm的钻头进行钻进，钻孔方向朝综采工作面切眼前方及后方顶板方向。以上四个钻孔的布置方式为皮带巷为主进风时的布置方式，当轨道巷为主进风时，机头机尾两个钻孔布置方式进行对调。

2.2.2 顺槽水力压裂钻孔布置

为加强水力压裂的效果，缩小综采工作面初次垮落步距、周期垮落步距、工作面机头机尾悬顶面积，特在综采工作面两顺槽进行补充钻孔，补充钻孔布置为双侧布置，钻孔长度为27m，孔间距为25m，钻孔仰角为22°，钻孔水平投影与巷道夹角为15°，钻孔采用直径Φ56mm的钻头进行钻进，钻孔方向朝综采工作面采空区。

2.3 方案比较

在深孔爆破，钻孔作业常发生钻孔被堵现象。钻孔被堵导致一些炮孔深度发生变化，给装药带来很大的困难，甚至造成炮孔报废。若是炮孔被堵部分为孔底，则因装不够药而造成爆后留根；或者由于炮孔被堵深浅不一，造成底盘高低不平；若局部炮孔全堵，将影响整体爆破效果。

定向水力压裂在顶板岩层压裂段中预制切槽，对切槽段封孔并注入高压水进行压裂，破坏顶板岩层的完整性，削弱顶板岩层的强度和整体性[1-2]。与爆破放顶技术相比，定向水力压裂放顶具有安全性高、成本低、适应性强等特点。因此，选择采用定向水力压裂技术[3-4]。

2.4 定向水力压裂施工要求及安全措施

试验过程为高压注水压裂过程，为保证安全，作业地点80m范围内拉警戒，试验期间严禁人员通过，操作人员及设备应距离压裂点50m以上。

高压泵运行过程中，操作人员应时刻注意观察各管路接头是否正常，有无异常现象，如有异常应及时停止作业，对存在的隐患及时处理，一切正常后方可继续施工。

压裂过程中，保证一定的注水时间，确保压裂、软化充分，同时注意观察压裂孔周围顶板，煤壁，若有水渗出，立即停止压裂。

3 效果监测

通过现场观测，巷道顶板起裂压力为23MPa，延伸压力为19MPa。发现压裂孔东侧10m考察孔出口处压力表读数为15.6MPa，上方、西侧考察孔压力均超过压力表量程（10MPa），下方压力表没有读数，但有水流出。可以判断，顶板在40min以内其有效压裂范围能够达到10m以上，效果较好。

4 结语

定向水力压裂技术有效控制坚硬顶板的同时，避免给6102综采工作面的正常回采带来影响，工作面端头三角区悬板面积减少，消除了大面积冒落的恶性事故，注入水或定向水力压裂水还使得岩尘、煤尘减少，节约截齿消耗量，对防止煤层自燃有利。

參考文献：

[1]孙志勇，冯彦军，郭相平.凤凰山煤矿坚硬顶板定向水力压裂技术应用研究[J].中国矿业，2014，23（11）：108-110.

[2]刘会利，冯彦军.锦界煤矿综采工作面水力压裂初次放顶矿压显现规律[J].煤炭工程，2017，49（1）：60-62，66.

[3]刘儒侠.大柳塔煤矿综采工作面水力压裂强制放顶技术探索[J].陕西煤炭2016，35（S1）：35-40.

[4]谷亮鸽，罗伙根.浅析煤矿综采面采空区悬顶处理技术[J].山东工业技术2014（17）：46-46，117.

作者简介：

杜艳春（1970- ），山西省临县人，2015年7月毕业于东北大学釆矿工程专业（本科），现为工程师，从事煤矿采煤技术研究及管理工作。