佳峰煤矿隅角顶板强制放顶技术研究

范常胜

（山西离柳焦煤集团有限公司佳峰煤矿，山西 孝义 032300）

采面隅角顶板悬露是影响工作面顶板管理和瓦斯防治效果的难题，通常采面隅角悬顶面积和滞空时间越小，采场矿压越平稳。对于隅角顶板悬露问题，专家学者通过研究及实践提出了强制放顶技术以消除生产安全风险[1-4]，如提前退锚、预裂爆破放顶、水力压裂等。但预裂爆破存在爆炸后污染井下空气、放炮期间影响正常生产和易引发瓦斯和煤尘爆炸等问题，威胁矿井安全生产。水力压裂技术在煤矿坚硬顶板弱化、沿空留巷切顶及采面防冲方面得到了广泛的应用。该技术通过在坚硬顶板内部预制裂隙，然后通过高压水力拓展裂隙，实现人工提前弱化顶板的效果。同预裂爆破相比，水力压裂技术具有无有毒有害气体产生、裂隙可控且预裂过程安全等技术优势。本论文针对1116运输顺槽隅角不易垮落问题，结合工作面的开采参数设计了水力压裂方案，为隅角顶板管控提供了解决方案。

1 工程背景

佳峰煤矿1116工作面运输顺槽属于+820 m水平一采区，南为1116工作面，东至井田保安煤柱线，西邻南轨道大巷，北为1115工作面采空区。巷道沿11#煤层底板掘进，标高为+799～ +833 m，巷道设计总长度为1403 m。巷道断面形状为矩形，净宽为4.5 m，净高为2.6 m。

1116工作面开采10+11#煤层，10#与11#为合并层，平均煤层厚度为6.91 m，煤层倾角为0°～8°。顶板有一层厚度为15.68 m的K2石灰岩，岩层强度较高。顶底板岩性特征见表1。

表1 煤层顶底板岩性特征

由于1116运输顺槽上覆厚达15.68 m的石灰岩基本顶，在回采时工作面隅角顶板易出现悬顶现象，不利于采面安全回采。隅角顶板的突然垮落易引起端头支架压架事故，同时冲击气流易带出采空区瓦斯瞬间涌出造成瓦斯超限，威胁采面人员、设备的安全生产。

2 隅角顶板强制放顶技术

2.1 强制放顶技术确定

采面隅角顶板发生悬露的原因一般是因为顶板赋存坚硬完整的岩层，上方岩层裂隙弱面较少，采空区弧形三角板未能及时垮落，支架移架后顶板在采空区悬露，造成应力集中和能量积聚。顶板垮落形态如图1。

图1 工作面开采后顶板垮落形态示意

针对采空区隅角弧形三角板悬露问题，专家学者经过实践研究提出了一系列较为成熟的隅角顶板强制放顶技术，目前应用较多的主要有两种：水力压裂技术和预裂爆破技术。

（1）水力压裂技术

水力压裂技术是通过高水压拓展岩层的结构弱面，使岩体的结构完整性进一步劣化，降低隅角顶板岩层的力学性能，使顶板能够及时垮落，是目前应用较为广泛的岩体劣化技术。

（2）预裂爆破技术

预裂爆破技术是通过爆破的冲击能量破坏隅角顶板的结构完整。深孔预裂爆破技术在采面坚硬顶板治理工作面中应用广泛。

综合考虑技术施工的安全性和顶板放顶效果等因素，决定通过水力压裂的方式对1116上顺槽隅角顶板进行强制放顶，以解决隅角顶板悬露问题。

2.2 隅角水力压裂切顶机理

在回采工作面超前位置，沿巷道走向在顶板肩窝位置施工水力压裂钻孔，钻孔内通过施工环向切槽预制裂隙，然后通过水压作用拓展预制裂隙形成更大范围的破坏，弱化岩体结构完整和力学性能。采面推过后，受超前支承压力作用和煤柱切顶作用，隅角弧形三角板岩块能够及时垮落，实现强制放顶的目的。水力压裂隅角顶板切顶机理如图2。

图2 水力压裂隅角顶板切顶机理示意

2.3 水力压裂参数设计

基于水力压裂切顶机理及1116工作面顶板岩层赋存特征，确定水力压裂钻孔布置及压裂参数。

（1）为保证顶板水力压裂破坏范围，保证强制放顶效果，在1116运输顺槽非回采侧巷帮顶板及距巷帮1 m处顶板布置2组压裂钻孔。每组钻孔的排距设计为10 m，直径均为56 mm。巷帮钻孔长16 m，仰角70°；距巷帮1 m钻孔长20 m，与巷道中线夹角为5°，仰角70°。钻孔布置如图3。

图3 水力压裂钻孔布置图

（2）水力压裂钻孔实施过程中，每间隔2 m利用切槽钻头提前在孔壁磨出定向裂缝，压裂过程中每2 m进行一次压裂，使得水压可以进一步拓展破坏预制裂缝。注水压力设定为17～32 MPa，保压时间设定为20～30 min。需要超前采面50 m距离处开始实施水力压裂，压裂钻孔距孔口8 m范围内不进行水力压裂，保护顶板锚索支护系统的完整性。

（3）利用双端封孔及高压注水组合系统以实现在水力压裂过程中对孔内分段高压注水。压裂顺序为由孔底向孔口方向进行分段多次压裂，压裂前需封闭封孔器，然后按设计参数进行高压水力压裂。完成单次水力压裂后，外退封孔器至下一压裂段，按上述操作进行重复压裂，直至单孔压裂结束。

3 现场应用效果

通过水力压裂措施，1116运输顺槽隅角顶板力学性能被弱化，能够实现随采随落，避免应力和能量在隅角顶板产生积聚，防止发生由顶板突然破断引起的动力冲击和压架现象。为验证该技术的实施效果，对采场矿压情况进行监测分析。

（1）隅角顶板垮落情况

根据隅角顶板监测结果，采取强制放顶措施后1116运输顺槽隅角可随采面推进及时破断垮落，最大悬顶面积为2×4.5 =9 m2，平均悬顶面积低于6 m2，部分区域顶板弱化效果较好，支架后方顶板无悬顶，隅角顶板在支架后方破断。同未采取强制放顶区域相比，顶板悬顶面积降低了46～52 m2。

（2）采场来压情况

在1116运输顺槽端头支架安设在线压力监测系统，监测采取水力压裂前后周期来压步距及支架压力情况，见表3。未采取水力压裂措施前端头支架周期来压步距为39 m，压裂后为18.3 m，采取水力压裂措施后隅角顶板周期来压步距比压裂前降低了20.7 m，降低53.1%。采取水力压裂措施可明显降低支架受力，工作阻力降低了16.6%。表明水力压裂措施的实施可有效切落隅角顶板。

表2 水力压裂前后端头支架来压步距及支架压力

根据上述采场矿压监测结果，可得出强制放顶技术可实现预期隅角顶板控制效果，有效避免隅角顶板的悬露，大幅降低顶板悬露面积，缓解煤壁和端头支架需承受的上覆岩层重力载荷，避免煤壁片帮、压架等现象的发生，保障工作面安全高效生产。

4 结论

（1）针对1116工作面运输顺槽上覆坚硬灰岩顶板引起的隅角顶板悬露问题，为保证顶板及时垮落，提出在巷道内采取水力压裂技术对隅角顶板进行强制放顶。

（2）通过采取强制放顶技术后，隅角顶板能够及时垮落，隅角顶板悬露面积较小，基本顶来压平稳，支架压力较小，保证了采面安全生产。