18402轨道巷顶板水力压裂切顶卸压技术研究

（西山煤电股份有限公司西铭矿 山西 030052）

前言

《煤矿安全规程》规定：“采煤工作面用垮落法管理顶板时，必须及时放顶。顶板不垮落、悬顶距离超过作业规程规定的，必须停止采煤，采取人工强制放顶或者其他措施进行处理”。某矿在工作面作业规程中规定：“采空区采用全部垮落法管理顶板，若机头未及时垮落，悬顶面积小于10m²时应采取措施（加强回收超前段托片），悬顶面积大于10m²时应进行强制放顶，届时编制专项安全技术措施，特殊情况不能强制放顶时，应有加强支护的可靠措施和矿压观测手段”。目前某矿在2#煤和8#煤工作面回采时，面临工作面端头悬顶面积大，超过规程规定，需要采取人工强制放顶措施进行处理。

1.工作面三角区悬顶原因分析

在不同的支撑条件下，工作表面边缘的基本屋顶变形和破裂类似于矩形薄板结构，因此边缘基本上为相邻的两个侧面和另一个形成了固定的支撑。弧形三角形悬挂结构形成自由弧形斜边。跨接时，弯矩在固支边和自由边的交点处最大化，从而造成损坏。随着工作表面的前进，悬挂板将规律断裂。断裂始于两端的最大弯曲力矩，并沿电弧主应力线方向延伸。形成大面积吊顶的主要原因是，弧形三角形吊顶结构在最大弯矩处的荷载小于基础屋顶的破坏应力，因此基础屋顶不能规律地周期性塌陷。发生此现象的原因是顶板本身的特性不易垮落；第二是锚杆和锚索在车顶上的支撑作用，这是由于锚杆和锚索的强大支撑作用，增加了顶板的强度，回采期间由于工作面端头在超前支护及超前支承压力双重影响下承载高、结构易变形，导致退锚困难，顶板支撑系统形成的力作用在弧形的三角形悬挂板上，在直接顶板和工作面的基本顶板之间形成相对紧密的结合，从而导致工作面两端头出现大面积悬顶。

2.工作面端头悬顶处理措施

目前采取人工强制放顶处理工作端头悬顶面积大的措施主要有三种：

一是及时退锚，退锚能够降低支护系统对顶板的控制作用，但在顶板稳定时，即便能够全部退锚，仍难以达到目的，某矿目前不仅面临顶板稳定，而且退锚也异常困难。

二是采用深孔爆破法。深孔爆破也是常用的方法之一，技术相对成熟，在很多矿区均有应用。但是某矿属于煤与瓦斯突出矿井，采用爆破方式本身风险较高，而且对爆破程序要求很高，同时爆破时工程量和炸药量大、安全性差、成本高；一次性引爆的炸药量大，产生较强震动，容易对工作面设备有一定冲击，且容易形成大量有毒气体，对人员安全构成威胁；在应用爆破法控顶时，需采取有力措施防止瓦斯或煤尘爆炸的措施；爆破往往会干扰回采工序，同时采用顶板预裂爆破必须避开顶板初次来压、周期来压。

三是针对爆破法存在的一些不足，需要针对巷道顶板控制采取新的方法。近年来，大力发展煤岩体水力压裂弱化控制技术，已经在各领域得到广泛应用，矿山生产的安全性也随之提高，但是水力压裂采用高压水施工，对于技术要求高，需要专业队伍、专业设计才能达到顶板处理要求。

3.水力压裂卸压技术

(1)水力压裂理论

选择最优钻孔参数（θAz和θInc），可使裂缝开启所需压力为最小值；当应力场给定，比较主应力值的相对大小，便可确定其应力场类型，进而确定钻孔倾斜角和方位角，使裂缝开启压力为最小。

(2)常规压裂钻孔布置及参数

传统的压裂钻孔以单侧和双侧的方式布置。根据工作面的长度和开挖设备的能力，双侧压裂时顶板会被均匀削弱，工作面的开挖位置不会很高，将遵循一般中部垮高大的规律，封隔器的行进距离会较短，并且施工简单。单侧布置钻孔装置仅需在凹槽中钻一个孔，从而减少了工作量和生产影响。然而，钻孔相对较长，对孔的直线度有更高的要求，弯曲使封孔器难以向前移动，从而使施工变得困难。根据硬顶的厚度和层的位置，钻孔布局可以多层布置。

(3)水力压裂控顶工艺过程

顶板钻孔，按照设计角度进行钻孔至指定深度，如图1（a）所示。

将封孔器推定指定位置、封孔，如图1（b）。

连接高压泵实施压裂，如图1（c）。

当上一个阶段压裂完毕后，泄压，将封孔器后退至下一压裂位置，封孔，并实施压裂，重复此程序直至本孔压裂完毕。

图1 水力压裂控制坚硬顶板岩层示意图

4.水力压裂切顶卸压设计

(1)工作面顶板岩性

18402工作面位于8#煤层，8#煤平均厚度约2.51m，局部夹一层炭质泥岩，平均约0.39m；煤层整体向南西倾斜，最大倾角8°，最小倾角2°，平均约5°。

18402工作面上部稳定的岩层主要是灰岩、粉砂岩和中砂岩，灰岩的平均厚度分别为3.34mm、2.42m和1.48m，距离巷道表面分别为0m、10.87m和17.9m，石灰岩坚硬稳定，难以垮落。粉砂岩的厚度分别为2.6m、1.85m、2.24m和11.97m，距离巷道表面分别为3.34m、8.89m、14.88m和19.38m，中砂岩的厚度为2.95m。为了降低工作面端头悬顶问题，需要弱化巷道顶板深部岩层的完整性和稳定性，为此对顶板上部的石灰岩、粉砂岩进行处理，处理深度需要达到7#煤顶板中的粉砂岩，粉砂岩顶部距离巷道表面深度为31.35m，设计钻孔的仰角为50°，则可计算得出施工钻孔深度为40.9m，施工时取深度40m。

(2)水力压裂卸压参数

施工顺序：采用窥视仪观察顶板岩层结构→确定压裂参数→压裂钻孔施工→实施压裂→压裂监测。

具体巷道施工位置根据现场条件调整。钻孔参数根据顶板岩层厚度、岩性、矿压显现特点与范围，压裂钻孔布置如下图2所示。

图2 水力压裂钻孔布置图

5.结语

本文分析了工作面三角区悬顶原因以及工作面端头悬顶处理措施，深入探讨水力压裂卸压技术，从施工顺序和具体施工位置研究可用于不同层位煤层巷道保护的水力压裂切顶卸压设计。18402轨道巷顶板水力压裂切顶卸压技术研究切实解决了工作面端头悬顶问题，切顶后顶板垮落效果好，为实际工程实践提供了可靠见解。