木瓜矿坚硬顶板工作面初采强制放顶技术研究与应用

安彦霖

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

对坚硬顶板工作面，采用技术手段主动进行切顶，破坏岩层的整体性和稳定性，减小顶板的垮落步距，对矿井的安全生产具有重要意义[1-3]。木瓜煤矿顶板为坚硬的石灰岩，单轴抗压强度在150 MPa以上，岩层整体性好、承载能力强，工作面回采过程中垮落不及时，悬顶面积大，影响安全生产。

1 工程概况

10-201 工作面位于+940 m 水平二盘区，工作面北邻二盘区三条准备大巷，西为实体煤，南和东靠近矿井井田边界。工作面盖山厚度112～315 m，其中黄土层厚度57～190 m，基岩厚度55～125 m。工作面所采煤层为石炭系上统太原组的9 号、10 号煤，其中9 号煤的平均厚度为3.92 m，10 号煤的平均厚度为1.35 m，两层煤的平均间距为0.7 m，顶底板岩性如图1。低瓦斯矿井，煤尘有爆炸性，自燃倾向性为Ⅱ类自燃。

图1 9 号煤顶底板岩性

10-201 工作面开切眼长度245 m，推进距离1081 m，采用综合机械化一次采全高的开采方式，全部垮落法处理顶板。

2 水力压裂技术机理

2.1 切顶方式的确定

为了防止顶板大面积来压，目前常用的方法主要有深孔爆破、高压注水软化和水力压裂三种。其中，高压注水适用于构造裂隙发育的煤层顶板，对坚硬顶板效果不理想，应用相对较少；深孔爆破技术的工程量大，安全性差，在作业过程中易产生有毒有害气体，对高瓦斯矿井或自燃煤层条件不适用；水力压裂技术成本低，施工速度快，安全性、可靠性高，对工作面正常生产干扰小[4]。综合考虑后确定10-201 工作面采用水力压裂方式进行切顶卸压。

2.2 定向水力压裂切顶机理

坚硬顶板定向水力压裂技术，首先在岩体中产生一定方向的初始裂隙，然后注入高压水，使得岩体沿预定裂隙扩展，形成弱面，破坏顶板的完整性；同时，高压水的注入，对坚硬顶板有软化作用，对顶板的裂隙扩展和湿润软化，促使顶板及时垮落[5-6]。水力压裂切顶机理如图2。

图2 水力压裂切顶机理

3 水力压裂主要参数设计

3.1 注水压力的确定

水力压裂切顶的注水压力不低于岩石的抗拉强度，可按下式计算：

P=k（Pz+R）

式中：P为注水压力，MPa；k为富余系数，取1.3；Pz为岩体内应力，一般与深度以及开采条件和地质条件等有关，可按自重应力计算，MPa；R为压裂层位的单轴抗拉强度，MPa。

根据10-201 工作面的实际条件，盖山厚度按270 m 计算，上覆黄土层和基岩的平均容重取23 kN/m2，顶板灰岩的抗拉强度取12 MPa，代入计算可得，注水压力不低于24 MPa。

3.2 切顶层位的选择

由工作面顶板的柱状可以看出，9 号煤顶板为泥岩、石灰岩，造成顶板悬顶面积大的主要关键层为石灰岩，将位于煤层上方7.3 m 的厚度为7.7 m 石灰岩作为切顶的目标岩层。切顶钻孔的终孔深度应在石灰岩层位之上2 m，即位于煤层顶板12 m 以上。

3.3 钻孔布置

为保证切顶效果，在工作面和两巷施工切顶钻孔的基础上，对切眼内靠近煤壁侧的顶板进行水力卸压。钻孔布置如图3。

图3 切顶钻孔布置示意图（m）

两巷切顶钻孔从开切眼前方20 m 开始布置，间距为10 m，两巷各布置5 个。钻孔深度为20 m，向顶板方向倾斜45°。

开切眼中的钻孔距离回采帮2.5 m 开始布置，钻孔间距为10 m，深度20 m 和30 m 的钻孔依次交替布置。20 m 深钻孔向上倾斜45°，30 m 深钻孔向上倾斜30°。

开切眼内距离煤壁3 m 处布置切顶钻孔，钻孔深度为20 m，间距为20 m，倾斜角度为45°，如图4。

图4 煤壁侧切顶钻孔布置（m）

4 现场应用及效果

4.1 系统组成

水力压裂系统的设备主要包括切槽工具、封孔器、高压泵、管路、压力表、控制阀等，如图5。

图5 水力压裂系统组成

4.2 施工工艺

（1）钻孔施工

采用ZYJ-1250 型液压钻机，在设计位置施工钻孔，钻孔直径为75 mm。要求开孔位置的顶板相对完整，施工时先用普通钻头施工至开槽位置，然后更换为开槽钻头在孔底进行开槽，最后换回普通钻头继续施工，如此循环直至施工至设计深度。

（2）封孔

安装水力压裂设备，连接管路，将专用封孔器推送至设计位置。

（3）注水

封孔结束后开始注水。首先采用中压注水，将压力保持在10 MPa 左右，注水一段时间后，逐渐提高注水压力至设计值。在高压注水过程中，随时关注顶板情况，观察到有水渗出或者听到断裂声音时，及时调整压力甚至停止注水。

4.3 应用效果

工作面推进过程中，对采空区垮落情况进行观测，同时记录支架工作阻力。垮落情况观测结果见表1。

表1 10-201 工作面顶板垮落情况统计

由顶板垮落情况结合支架工作阻力的观测结果，可以判断，10-201 工作面直接顶的初次垮落步距为7.2 m，基本顶初次来压步距为21.6 m。

根据其他9 号、10 号煤合并开采的工作面矿压观测情况分析，直接顶初次垮落步距为10 m，基本顶初次来压步距一般为40～50 m，并且基本顶初次来压期间，支架工作阻力明显升高，部分支架安全阀开启，平均动载系数为1.78。10-201工作面切顶后，基本顶初次来压步距为21.6 m，未有支架安全阀开启，并且平均动载系数为1.37，下降37%，水力压裂切顶取得了理想的效果。

5 结论

（1）木瓜矿9 号煤顶板上方有两层坚硬稳定的石灰岩，是造成采空区悬顶面积大、来压步距长的主要原因，是切顶卸压的目标岩层。

（2）通过在坚硬岩层中注入高压水，使得岩体沿预定裂隙形成弱面，破坏了顶板的完整性，同时高压水对坚硬顶板有软化作用，促进了顶板及时垮落。

（3）水力压裂切顶的注水压力不低于岩石的抗拉强度，由此确定注水压力不低于24 MPa。

（4）10-201 工作面的实践表明，水力压裂技术可以有效破坏坚硬顶板的完整性，促进顶板的及时垮落，减少顶板的大面来压，有利于工作面安全回采。