厚煤层综采工作面坚硬顶板弱化技术研究

杨胜江

（潞安化工集团潞宁忻峪煤业有限公司，山西 宁武 036700）

对井工煤矿工作面顶板稳定性进行合理控制是保证井下人员、设备安全的必要措施[1]。坚硬顶板具有硬度大、强度高、难垮落的特点，容易造成综采工作面大面积悬顶。受厚煤层大采高影响，上覆岩层一旦突然垮落，将严重威胁矿井安全生产[2]。

潞宁煤业公司22117 综采工作面直接顶和基本顶主要由硬质砂岩构成，顶板强度大，在实际生产过程中存在大面积悬顶问题，设计并应用水压致裂顶板弱化技术控制岩层稳定、保证工作面安全开采。

1 概况

22117 综采工作面平均走向长度为1 460.37 m，设计可采长度1 374.1 m，倾向长231.5 m，煤层厚度4.0 m，位于二二采区中下部，上部为22115 采空区，煤柱15.3 m，下部为22119 回采工作面，未形成回采工作面。

22117 综采工作面直接顶由细粒砂岩、砂质泥岩和粉砂岩综合岩层组成。煤层上接2.6 m 细粒砂岩，以长石为主，较坚硬，上接3 m 砂质泥岩，上接5 m 较坚硬的粉砂岩。基本顶为中粒砂岩和细粒砂岩，中粒砂岩厚度2.6 m，以石英为主，钙质胶结，坚硬，上接23 m 细粒砂岩，以石英为主，钙质胶结，坚硬。22117 工作面煤岩柱状示意图如图1。

图1 22117 工作面煤岩柱状示意图

2 厚煤层坚硬顶板弱化机理

2.1 厚煤层坚硬顶板控制分析

坚硬顶板的岩石硬度高、岩层完整性好，具备很强的抵抗断裂能力，导致厚煤层坚硬顶板综采工作面在开采过程中顶板难以及时破断垮落，容易形成大面积悬顶。由于厚煤层大采高影响，坚硬顶板一旦发生初次破断，会造成大体积顶板岩层快速垮落，给工作面人员及设备安全带来严重威胁。因厚煤层坚硬顶板矿山压力显现的特殊性，工作面上覆岩层破坏行为更加复杂，由此产生的围岩控制与安全难题主要有：冲击地压、临空巷道大变形、采空区悬顶、端头悬顶等[3]。

（1）冲击地压

在超前支护段，极易出现应力集中区，由于顶板垮落难度大，巷道两帮支撑载荷大。伴随着基本顶的周期来压，巷道周而复始地出现来压变形，对于矿井的稳定发展和安全开采有重大影响。

（2）临空巷道大变形

在工作面回采过程中，受临空压力与超前压力叠加影响，巷道容易产生剧烈变形。邻近工作面的巷道受采掘交替影响及工作面超前支承压力与侧向支承压力作用，迎采巷道与临近回采工作面交锋前后一定范围内矿压显现剧烈，围岩变形量大，对工作面安全高效生产造成很大困难。

（3）采空区悬顶

厚煤层坚硬顶板工作面采空区悬顶一般可分为两类：采煤工作面开切眼悬顶和中部悬顶。在工作面初采时，开切眼位置由于支护强度大、推进距离短、采动影响小，加之坚硬岩层不易破断，因此开切眼区域在工作面开采初期会形成大面积悬顶。而对于采煤工作面中部来说，当埋深较浅且上覆坚硬顶板厚度大、完整性好时，矿山压力显现不明显。随着工作面的不断推进，工作面中部悬顶面积越来越大。当工作面悬顶达到一定面积时，坚硬顶板会在矿山压力作用下突然发生脆性垮落，产生严重的冲击载荷和顶板大面积来压，进而诱发矿山压力灾害。

（4）工作面端头悬顶

采煤工作端头由于支撑煤柱作用及高强度支护，大多数情况下不能及时垮落，而造成悬顶面积较大。采煤工作面端头大面积悬顶一旦突然垮落，采空区内的有毒有害气体将被挤压流入采煤工作面，会导致工作面瓦斯超限。

2.2 水压致裂顶板弱化原理

通过水压致裂技术对顶板进行提前弱化，促进工作面上覆岩层及时垮落，对减少大面积悬顶、维持工作面安全高效生产具有重要意义[4]。

水压致裂顶板弱化技术的核心是通过水压提前在顶板切割裂缝，从而改变煤柱上方的悬臂结构，破坏顶板应力传递条件，减少巷道的应力集中，增强工作面围岩的稳定性。采煤工作面大面积悬顶形成的悬臂梁结构是造成顶板突然垮落的主要原因。当在指定位置进行水力致裂切断悬臂梁结构后，工作面煤柱的悬臂结构由“固支”变为“简支”，采空区上部岩层及时垮落，避免大面积悬顶。坚硬顶板悬臂梁结构如图2。

图2 坚硬顶板悬臂梁结构示意图

煤系岩层主要由泥岩、砂岩组成，含有多种矿物成分，结构复杂。地下岩石存在遇水易崩解膨胀的黏土矿物，通过水-岩物理化学作用，岩体内部会产生大量的微观孔隙和节理裂隙，降低坚硬顶板的强度和完整性。水的瞬时高压作用会改变岩层的应力结构和理化性质，使其粘结力降低、顶板强度下降，促进岩层节理裂隙的进一步发育和扩展，破坏坚硬顶板的应力传递条件。

水压致裂顶板弱化技术的基本原理是，通过向钻孔内注入高压水，当注水压强超过岩体的极限抗拉强度时，钻孔壁四周会发生破裂现象，产生裂隙。由于地下岩体中存在大量的黏土矿物，遇水极易出现膨胀现象，高压水随着钻孔壁裂隙不断渗透，使岩体内部出现粘结力降低、强度下降等现象。同时，在高压水作用下，钻孔裂隙内部的岩石颗粒不断摩擦，裂隙弱面的正压力分布不均，导致节理裂隙进一步出现延伸和扩展。随着高压水的不断注入，当相邻压裂孔裂隙不断延伸至贯通时，泵压停止上升，坚硬顶板岩层完整性得到弱化破坏。

2.3 水压致裂参数设计

根据水压致裂顶板弱化原理，结合22117 综采工作面顶板岩层条件，设计水压致裂参数及施工方案。由自重应力及注水压力应不小于煤岩体抗拉强度的原则，确定致裂水力压力为45 MPa。22117 综采工作面顶板坚硬岩层厚度为16 m，以细粒砂岩、粉砂岩复合岩层为主，属于特厚层难垮落顶板。在综采工作面进行水力压裂顶板弱化施工，要求注水孔整齐排列布置，钻孔直径为44 mm，钻孔深度为10～35 m。水压致裂施工钻孔布置如图3，具体施工工艺为：

图3 水压致裂施工钻孔布置（m）

（1）采用后退式单孔多次压裂工艺，间隔距离为5 m。同时根据钻孔窥视结果和围岩强度调整水力致裂工艺，注意观察施工期间是否出现连续响动和突水特征。一旦施工过程出现异常，应立即停止操作，撤出工作人员并对顶板情况进行进一步观测。

（2）注水压裂时间确定为20～35 min，需操作人员时刻监测注水压力变化和注水岩层返水情况，一旦出现卸压现象，停止注水并记录注水时间。

（3）施工完成后，依次关闭压力阀，拆卸水力压裂设备。当有两孔同时进行注水时，避免并行作业诱发矿山压力显现，两孔间距应大于40 m。

3 工程应用及效果

在22117 综采工作面进行水压致裂顶板弱化技术现场应用，监测液压支架的工作阻力和周期来压步距，同时将22117 工作面矿压观测情况与未采用顶板弱化技术的22115 工作面进行对比。现场应用后，从工作面5#支架开始，每隔10 台布置一个监测点，记录22117 综采工作面液压支架的工作阻力情况，如图4。此外，将22115 工作面和22117 工作面矿压观测数据进行整理，对比结果见表1。

图4 22117 工作面液压支架工作阻力

表1 22115 工作面和22117 工作面矿压观测结果

通过水压致裂弱化顶板施工，现场不再出现大面积悬顶问题，采空区上覆岩层能够随着工作面推进顺利垮落。由表1 可知，22117 综采工作面液压支架最大工作阻力为35 MPa，平均值25MPa，较未进行顶板弱化的22115 工作面降低了20.5%和20.7%。此外，进行坚硬顶板弱化后，基本顶的周期来压步距也大幅降低，约为原来的73%，取得了较好的现场应用效果。

4 结语

厚煤层坚硬顶板大面积悬顶突然垮落对工作面安全生产造成严重威胁，分析坚硬顶板岩层破坏特征，确定致裂水力压力为45 MPa，钻孔直径为44 mm，钻孔深度为10～35 m，并形成完整的水压致裂施工方案。22117 综采工作面采用水压致裂技术对坚硬顶板弱化施工后，工作面液压支架工作阻力较优化前有明显降低，效果良好。