巷道坚硬顶板高压水力切顶卸压技术研究

杜云杰

（山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046600）

1 工程概况

山西凌志达煤业15501 工作面区域内，煤层产状平缓，煤层最大倾角11°～14°。该工作面所采煤层为石炭系上统太原组15 号煤层，属稳定可采近水平中厚煤层，结构较复杂（含2～3 层夹矸，夹矸一般为0.2 m，最厚可达0.3 m）。煤层顶底板综合柱状图如图1。

图1 15501 工作面煤层顶底板综合柱状

工作面基本顶为灰岩，方解石脉发育，岩石质地坚硬，属于典型的难垮落坚硬顶板。15501 综采工作面上覆岩层质地坚硬，承受扰动应力较小时无法自然断裂。顶板大范围垮落不及时，将会形成较长的悬臂梁或形成两侧固支梁，对煤柱、巷旁充填体产生附加支承压力，并在工作面前方产生极大的超前支承压力，以此促使巷道围岩发生大变形，致使煤壁出现冒顶、片帮事故。由此，采区巷道与采煤工作面的维护难度增加，不利于矿井安全生产工作的运营[1-3]。

为避免坚硬顶板大面积悬顶产生的静压以及顶板突然性垮落产生的动压导致煤柱、巷道与采煤工作面出现强烈的矿山压力显现问题，将采用高压水力切顶技术对15501 工作面的坚硬顶板进行切顶卸压处理。

2 高压水力切顶卸压技术

水力切顶的技术理论与传统的炸药切顶技术理论相似，通过水力压裂的方式代替炸药的爆破作用，以此对煤层顶板进行定位、定向的裂缝切割，使顶板切落垮塌。利用水力切落坚硬顶板的优势在于，水可作为坚硬顶板的软化剂，弱化顶板岩石的物理力学性质，有利于顶板的顺利垮落，同时作业方式较为安全，施工造成的矿山压力显现程度也相对较低。

定向高压水力压裂切割顺槽顶板卸压护巷技术的关键在于，理论计算水力钻孔的切顶高度与切顶角度，使顶板可以顺利垮落并且足以支撑上覆岩层[4]。

2.1 定向切顶高度理论分析

回采工作面在推进的过程中，直接顶随采随落，冒落到采空区底板上，然而在煤柱朝向采空区一侧的坚硬顶板难以垮落时，会对采区的巷道产生极大的侧向支承压力。尤其是当上覆岩层为组合岩梁结构时，多重叠加的载荷与力矩施加在巷道围岩上，又会致使巷道围岩的侧向支承压力急剧增加。根据岩石碎胀性，通过计算基本顶垮落对采空区的充填高度，对基本顶的切顶高度进行分析，使切顶垮落的基本顶可以充满采空区，对上覆岩层起到良好的支撑作用。

以巷道顶板的组合梁理论作为研究出发点，计算切顶高度。假定坚硬顶板的上覆岩层发育高度内共有m层岩层（如图2），以高度层位为界限划定岩层的编号为1，2，···，m。水力切顶技术的切顶高度应符合以下关系：

图2 切顶高度示意图

可得，切顶高度Lq：

式中：L1，L2，···，Lm为单层岩梁厚度，m；M为煤层厚度，m；K1，K2，···，Km为单层岩梁的碎胀系数；Kp为组合岩梁的平均碎胀系数，取1.3；Lq为切顶高度，m。

考虑到已经存在的巷道顶板下沉量与底板底鼓量，依据切顶高度计算式，水力压裂的临界切顶高度设计公式为：

式中：Lw为水力压裂的临界切顶高度，m；ΔL为顶板下沉量，m；ΔD为底板底鼓量，m。根据15501 工作面顶底板岩性特征情况，计算得水力压裂的临界切顶高度为12.5 m。为使水力压裂的裂纹充分扩展，水力切顶钻孔的深度设计为24～28 m。

2.2 定向切顶角度理论分析

水力压裂的切顶角度将会影响顶板的动态垮落过程，并最终影响垮落的形态。根据“砌体梁”关键块理论，水力压裂钻孔会使巷道的顶板与采空区的垂直方向产生预裂面，预裂面与垂直方向的夹角即为切顶角度，合理的选择切顶角度将有利于顶板岩梁顺利垮落，最大限度地减少垮落过程中的动载对巷道围岩的影响。当垮落不充分时，采空区侧的破断关键块岩梁会通过铰接点向接触的邻近巷道顶板施加压力。由此，顶板无法充分卸压，进而加剧围岩的破坏程度。

根据“砌体梁”模型的S-R 失稳原理，巷道上覆岩层顶板断裂后会形成关键块A 与关键块B，两者以摩擦作用形成相对稳定的铰接结构。铰接点受到左右两侧的水平推力T，以及岩块自身重力产生的剪切力R。当考虑基本顶岩梁的断裂面与垂直面角度为θ时，关键块铰接点的受力关系如图3 所示，此时岩块发生滑落失稳的条件为：

图3 切顶卸压关键块的受力分析

式中：T为岩块所受的水平推力，kN；R为岩块所受的剪切力，kN；q为基本顶的载荷集度，kN/m；L为基本顶岩块的长度，m；h为基本顶的厚度，m；ΔS为岩块B 的下沉量，m；φ为岩块间的摩擦角，（°）；θ为切顶角度，（°）。

根据公式的推算可知，关键块结构的稳定性与岩块的厚度、长度、水力压裂的切顶角度、岩石自身的摩擦角有关。当水力压裂的切顶角度与岩石自身的摩擦角相等时，关键块结构发生滑落失稳将不受水平推力T的影响，此角度为水力压裂切顶的临界角度。当切顶角度增大时，更加有利于顶板的垮落，但是会增加切顶后巷道剩余顶板的悬臂长度，不利于巷道的有效卸压。当切顶角度较小时，容易致使顶板难以垮落，导致水力切顶技术的失效。因此，考虑到切顶技术的可实施性，近似取基本顶岩石摩擦角的极大值作为水力压裂的切顶角度。

3 现场试验

3.1 现场施工方案

根据前文计算的切顶高度与切顶角度参数，考虑到顶板岩性的非均质特点，为提高现场实施切顶技术的成功率，共设计3 类角度不同的水力切顶钻孔，结合15501 工作面的工程现状，确定现场施工方案：

1）钻孔参数。钻孔1 的钻进、钻孔2 的钻进和压裂作业顺次进行，两类钻孔位于工作面煤体上方，钻孔开口于顶板靠近工作面煤壁侧，方向垂直于巷道走向，钻孔开口离开煤壁和顶板交角50 cm以内。压裂钻孔1 的倾角为45°，钻孔长度为40 m，眼底垂直高度为28.28 m；压裂钻孔2 的倾角为30°，钻孔长度为50 m，眼底垂直高度为25 m。钻孔1 和钻孔2 交替打孔，孔间距为10 m。压裂钻孔3 开口靠近顶板煤柱一侧，倾角为45°，倾向采空区后方，向煤柱侧偏转5°，钻孔长度40 m，眼底垂直高度28.28 m，钻孔间距为10 m，钻孔开口离开煤柱和顶板交角50 cm 以内。

2）钻孔孔径65 mm。钻孔压裂参数：单个钻孔封孔长度7～8 m。后退式压裂，每压裂段长度3 m，钻孔1 每孔压裂14 次，钻孔2 每孔压裂14 次，钻孔3 每孔压裂14 次。

3）压裂期间孔内水压15～50 MPa。

4）水力压裂施工采用柱塞式注水泵，泵压最高可达到50 MPa，满足压裂所需水压。

5）水力压裂在采煤工作面前方100 m 外进行。

3.2 施工效果监测与验证

为验证水力切顶技术对顶板的卸压作用，选取工作面与回采巷道衔接处的液压支架，通过安装自动化应力数据监测仪，监测实施水力压裂切顶技术前后巷道顶板的应力演化数据。通过分析支架工作阻力的变化状态，可获知切顶技术对于巷道顶板的卸压程度。

选取具有代表性的两台端头液压支架，编号分别为1 号和2 号，共截取11 d 的监测数据，绘制顶板应力演化趋势图如图4。

图4 端头支架应力监测演化图

根据端头液压支架监测的顶板矿压应力演化趋势可知，在实施水力压裂切顶技术之前，顶板的支承压力普遍波动于16～10 MPa 之间，在周期来压时支承压力最高可达18 MPa。在第3～4 天实施水力压裂切顶，巷道上方坚硬顶板发生动态破断，由原本的静态压力转化为动态压力，致使支架的工作阻力大幅上升，最高可达20 MPa。在实施水力切顶之后，支架监测的应力逐渐下降，并且波动幅度趋于平缓，表明水力压裂切落的顶板已进入垮落后的稳定阶段，除第9 天在2 号支架出现数据异常的波动外，大部分顶板应力监测数据都在12～8 MPa 范围内浮动。监测数据验证了高压水力切顶技术有效地削弱了顶板的应力集中程度，降低了端头液压支架的工作阻力，有利于巷道围岩的日常维护。

4 结语

通过分析15501 工作面煤层顶底板的岩性，选用高压水力压裂技术对回采巷道朝向采空区的坚硬顶板进行切顶处理，以此降低巷道顶板的应力集中程度。根据组合梁理论计算水力压裂技术的切顶高度为24～28 m，利用“砌体梁”关键块理论推导出合理的切顶角度应与顶板岩石的摩擦角近似相等，以此确定高压水力压裂切顶技术的施工参数，并设计现场施工方案。运用端头液压支架的顶板应力监测数据的演化趋势进行结果验证。实施切顶技术后，顶板的应力波动程度由16～10 MPa 降低为12～8 MPa，表明高压水力切顶技术达到了预期效果。