气相切顶卸压围岩应力转移技术研究

1 项目背景

马脊梁矿属大同煤矿集团的千万吨矿井，马脊梁矿8105工作面北西、西南均为实煤区、南东为8103工作面采空区。8105 工作面开采时对临近的5105 巷道会形成一次或多次采动动压影响，且在工作面推进后，坚硬顶板难以自然垮落；8103 采空区未能完全充填，造成部分顶板悬顶，形成悬臂梁结构，覆岩重力作用在巷道围岩上，在这些不利影响的复合作用下，5105 巷道出现了较严重的顶板下沉、两帮移近、底鼓和强矿压显现现象，对工作面的安全高效回采造成了极大的影响，所以有必要采用气相切顶的方式对工作面进行超前预裂，从而有效控制巷道围岩变形。

针对该问题，需采用超前预裂切顶卸压的方式实现围岩应力转移，防止围岩变形及冲击矿压等具有安全隐患的现象出现。经综合考虑，采用二氧化碳致裂技术是比火工品深孔预裂爆破和水压致裂卸压方式更加安全、经济、便捷的切顶卸压方式。

2 研究内容

针对以上工程实际，同煤集团联合北京中煤矿山工程有限公司科研团队，展开技术攻关，对马脊梁矿8105 临空工作面5102 巷超前预裂切顶卸压开展了深入的研究工作，通过理论分析、数值模拟及实验室试验，系统研究了不同地应力下钻孔参数对裂隙开启与扩展的影响、切顶高度及角度与围岩应力状态变化的关系，形成了针对大同矿区坚硬顶板得气相切顶超前预裂成套技术，有效控制了巷道围岩变形，满足了安全开采的需要。最终形成了一套适用于大同矿区坚硬顶板的气相切顶卸压技术，解决了工作面临空巷道强矿压显现问题。

2018 年12 月09 日，为了确保井下切顶致裂能够顺利进行，在马脊梁矿地面预先进行了二氧化碳致裂器串联导通性试验。如图1所示。

图1 致裂器导通性实验

为了解决5105 临空巷道围岩变形和强矿压显现问题，2019 年7 月～2019 年12 月在马脊梁矿开展了气相切顶卸压工业性试验。试验段在5105 巷道200 m～350 m处，未切顶区域测站设置在巷道450 m处。致裂后致裂孔现场图如图2所示。

图2 致裂后致裂孔现场图

3 创新成果

（1）为了确保井下切顶致裂能够顺利进行，在马脊梁煤矿地面预先进行了二氧化碳致裂器串联导通性试验，并详细记录了串联阻值。结果表明：串接电阻值的增幅基本稳定，在串接至第39 根时电阻值突然增大100Ω。50根致裂器串接完毕后进行起爆试验，为保证试验安全方便，仅对第一根致裂器充灌液态二氧化碳，最终第一根致裂器成功起爆，其余致裂器中的发热装置点火头均起爆，表明个别阻值异常增大并不影响其导通性。

（2）为了确定合理的致裂爆破参数，针对CO2致裂器爆破进行了实验室测试，确定了致裂器与钻孔孔径匹配关系、爆破时钻孔中不同位置受力情况及封孔对爆破效果的影响。结果表明：致裂器与孔壁间距越小转换率越高，封孔条件下爆破压力比不封孔高54.0%，泄放压力主要作用于释放孔的径向。因此在现场应用中，致裂器与孔壁间距选取5 mm～10 mm为最佳，且致裂前要进行封孔处理。

（3）针对马脊梁矿8105 工作面生产地质条件，应用数值模拟，对不同致裂孔间距、切顶高度、角度下切顶后采场围岩应力分布情况做出了分析。结果表明：气相切顶卸压技术能有效切断巷道与采空区顶板之间应力传播途径，从而减弱实体煤帮内部应力集中现象，改善了巷道围岩应力状态，使其不再受采空区顶板垮落下沉影响，使巷道顶板围岩得到了有效控制；致裂器在岩层中最大有效致裂半径为1.1 m，致裂孔间距2 m为最佳；不同切顶高度及角度对采场和巷道应力环境的改变不同，在工程应用中应根据不同条件和目的进行参数优化。

（4）采用方案一（切顶角度30°、深度26.68 m）、方案二（切顶角度45°、深度18.86 m）、方案三（切顶角度60°、深度15.40 m）在5105 巷进行了工业性试验，对比分析了未切顶段及不同切顶卸压段的超前单体液压支柱阻力、围岩变形量及煤柱支承压力，结果表明：巷道超前单体液压支柱工作阻力升高的影响范围约34～40 m，较未切顶区域，切顶角度为30°、45°、60°的区域支承压力峰值分别降低了21.8%、10.3%、3.4%；深基点离层量分别降低了16.5%、10.5%、3%；浅基点离层量分别降低了30.8%、33.8%、7.35%；最大工作阻力分别下降12.55%、8.32%、3.09%；45°和60°围岩变形量几乎未变，30°的变形量减小了28.7%。综上所述，切顶卸压后可降低超前单体液压支柱工作阻力、围岩变形量及煤柱的支承压力，有利于巷道超前段的围岩控制，采用方案一时卸压效果最佳。

4 应用效果

项目研究成果在马脊梁矿8105 工作面进行了现场应用，新增产值2 867.5 万元，新增利税1 380.9 万元。有效改善了工作面临空巷道围岩应力状态，实现了围岩应力向实体煤帮深部转移，改善了临空巷道的维护条件，实现了矿井的安全高效生产。

本项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定，获国内先进水平。