高瓦斯综放工作面端头悬顶静态膨胀预裂技术

郭高峰 宋志强 赵宝友

（1.山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046000；2.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

工作面端头悬顶不仅会造成瓦斯在上隅角位置聚集，引起瓦斯超限，同时大面积悬顶的瞬时冲击垮落还会带来飓风、扬尘、反风甚至瓦斯及煤尘爆炸的重大安全事故。对于回采巷道沿底掘进的综放工作面来说，端头悬顶还将导致端头顶煤的冒放性差，端头顶煤采出率低，造成一定程度的煤炭资源浪费，同时还具有采空区遗煤自燃的潜在安全隐患。目前，主要采用爆破预裂和水力压裂两种技术进行端头悬顶的处理[1-9]。原工程实践和理论研究结果表明：水力压裂切顶裂缝扩展严重依赖于顶板岩层的结构、强度、刚度及应力状态等地质赋存特征，且压裂工序相对复杂，同时要求相关技术人员具备丰富实践经验，导致其实际裂缝扩展与设计偏差较大，一般常用于大尺度覆岩压裂防治冲击地压灾害，对于超前工作面沿煤柱侧预裂切顶来说不易获得理想的效果。尽管化学炸药爆破的预裂切顶技术可实现较精准的切顶效果，但由于爆炸冲击波的高频高强度冲击动载特性，不利于巷道顶板稳定性的维护，加之化学炸药爆破存在明火，使之应用解决高瓦斯煤层工作面端头悬顶问题时存在安全隐患。静态无声膨胀致裂破碎技术具有膨胀性能高、无噪音、无污染等优点，目前采矿、土木等多个工程领域已经开始逐步利用静态破碎技术代替炸药爆破，少数矿井已开始尝试采用静态膨胀破碎技术代替炸药爆破进行端头悬顶的处理[10-11]。

1 工程概况

山西三元煤业股份有限公司核定生产能力260万t/a，采用走向长壁综合机械化综采低位放顶煤采煤法。现开采的3 号煤层位于山西组下部，煤层埋深380～401 m，平均煤厚7.2～7.7 m，普遍含0～2 层碳质泥岩夹矸，属全区可采稳定煤层。煤层直接顶为厚约8 m 的砂质泥岩与粉砂岩互层结构，基本顶为厚约4 m 的中粒砂岩。工作面斜长一般为240 m，采用一进一回U 型通风方式。回采巷道断面为矩形，毛宽5.2 m，毛高3.2～3.5 m，均沿煤层底板掘进，留有厚约3.7～4.2 m 的顶煤。工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为20.19 m3/min，相对瓦斯涌出量为4.72 m3/t，为典型的高瓦斯煤层，且煤尘具有爆炸性。

原生产实践表明，受煤柱侧实体煤的支撑与约束作用，综放工作面两端头均存在端头悬顶现象，尤其是工作面回采初期和首采工作面。工作面推进30 m 后端头顶板才开始垮落，工作面正常回采期间端头滞后采空区悬顶5～10 m，使得两端头顶煤回收率低，同时还造成上隅角瓦斯浓度有时超过0.8%的安全警戒限值，严重影响着工作面的安全回采。三元煤业以往主要采用超前工作面煤柱侧水力压裂技术进行端头悬顶的压裂切顶，但水力压裂裂缝可靠性差，端头悬顶压裂切顶效果并不理想。鉴于三元煤业3 号煤层属于典型的高瓦斯煤层，为此，拟尝试采用静态膨胀预裂技术处理端头悬顶问题。

2 综放面端头悬顶静态膨胀预裂切顶方案设计

2.1 理论分析

如图1 所示钻孔打设后煤岩体周围任意一点的应力状态为[12]：

图1 煤岩体静态膨胀致裂断裂力学模型

式中：σrr、σθθ、σrθ分别为以钻孔中心为极点的极坐标系下压裂前煤岩体任一点处的应力分量，MPa；K=σh/σH为水平地应力分量比值；σh和σH分别为最小和最大水平地应力分量，MPa；rb和r分别为钻孔半径和煤岩体任一点的极径，m；θ为极坐标与水平方向的夹角，（°）。

膨胀剂水化反应体积膨胀后产生的膨胀压力将作用在钻孔表面。由于煤岩体为典型的脆性材料，当膨胀压力在钻孔周围煤岩体内产生的应力与地应力叠加后超过煤岩体的抗拉强度时，煤岩体将产生垂直最小地应力方向的一对I 型径向对称裂缝。根据叠加原理可以将裂缝端部的应力强度因子表达为最小地应力σh和膨胀压力Pi所引起的应力强度因子的叠加[13]。

式中：KI为I 型裂缝的应力强度因子，MPa·m0.5；Pi为膨胀剂水化反应产生的膨胀压力，MPa。

当裂缝端部的应力强度因子KI小于煤岩体的断裂韧度KIC时裂缝停止扩展，则膨胀致裂的止裂条件为：

已知膨胀剂水化后的最大膨胀压力可达80～100 MPa，三元煤业3 号煤层σh=σθθ=4.5 MPa、σt=1.5 MPa、rb=0.037 5 m、KIC=7.22 MPa·m0.5等参数，据此可计算得到静态膨胀致裂煤岩体的裂缝扩展半径r=0.21～0.32 m。

2.2 方案设计

结合综放工作面实际条件，静态膨胀预裂切顶需在两顺槽动压区前方进行施工，再考虑到顺槽顶板稳定维护的要求，合理的预裂孔间距应保证静态膨胀剂预裂后相邻钻孔的裂缝不能在超前工作面的动压区内连通，后续在采动应力的作用下刚好在端头位置连通，进而使得弧三角形端头悬顶紧随工作面推进而垮落充填采空区。

为此，综合上述理论分析结果和三元煤业综放工作面实际条件及类似工程经验，设计在两顺槽紧邻煤柱帮0.4～0.6 m 垂直顶板打设一列预裂钻孔，孔径75 mm，孔距1.0 m，孔深16 m，预裂高度内包括顶煤、直接顶岩层和基本顶岩层。三元煤业3号煤层综放工作面端头悬顶静态膨胀预裂切顶的预裂孔参数设计如图2。

图2 静态膨胀预裂切顶的预裂孔参数设计图（m）

3 综放面端头悬顶静态膨胀预裂切顶效果分析

3.1 数值模拟分析

依据上述爆破孔设计方案，采用FLAC3D数值模拟软件，建立三元煤业超前综放工作面回采巷道顶板岩层的静态膨胀预裂切顶数值模型。模型中沿巷道走向距煤柱帮0.5 m 垂直顶板打设3 个预裂孔（沿X 轴正向依次为1#、2#和3#预裂孔）；模型四周及顶底面采用法向位移约束，沿预裂孔轴向施加10 MPa 的竖向自重应力，水平两向施加4.5 MPa和6 MPa 的水平地应力，预裂孔表面施加100 MPa的膨胀压力；采用interface 界面单元模拟垂直最小地应力方向的裂缝面，煤岩层均采用弹性本构模型。煤岩层及裂缝面的基本物理力学参数见表1。

表1 煤岩体基本物理力学参数表

图3（a）给出的裂缝面接触状态分布图直观地表明，膨胀剂水化体积膨胀产生的膨胀压力作用下，每个预裂孔两侧均产生两条对称的压裂裂缝面，处于张拉状态的裂缝面扩展半径约0.38 m。图3（b）给出的裂缝面张开度云图表明，静态膨胀压力作用下，每个预裂孔两侧的裂缝张开度也呈现对称分布，最大张开度为0.42 mm，位于钻孔表面的裂缝面起始位置，裂缝面张开度随裂缝扩展而降低，当裂缝面扩展半径达到0.37 m 时裂缝张开度为0，即裂缝不再继续扩展。静态膨胀压力作用下裂缝面法向的接触应力同样呈现以钻孔为对称轴的对称特征，见图3（c）所示，沿钻孔径向0.36 m 范围内的裂缝面法向压应力均为0，即该范围的裂缝面处于张开状态。

图3 静态膨胀预裂数值模拟结果

图4 给出的裂缝面张开度变化曲线定量地表明，1#预裂孔至3#预裂孔孔口连线方向上，裂缝面张开度曲线呈W 形式，裂缝面张开度在预裂孔表面位置处最大，随距预裂孔距离的增大而线性减小，两预裂孔之间约0.24 m 范围内张开度为0，即静态膨胀预裂下裂缝面扩展半径为0.38 m。图5 给出的中间2#孔两侧0.5 m 范围内裂缝面法向压应力曲线进一步表明，预裂孔两侧约0.37 m 范围内的裂缝面法向压应力为0，即处于张开状态，其外约0.13 m 范围的裂缝面处于受压闭合状态。

图4 裂缝张开度随其水平坐标变化曲线

图5 裂缝面法向应力随其水平坐标变化曲线

综上超前综放工作面沿回采巷道煤柱侧的静态膨胀预裂切顶数值模拟结果可知，实施静态膨胀预裂顶煤及顶板后，在膨胀剂水化体积膨胀产生的膨胀压力作用下，回采巷道预裂孔高度范围内单孔静态膨胀预裂裂缝扩展半径为0.36～0.38 m，与理论计算得到的单孔预裂影响范围基本一致，工作面顶板在距煤柱巷帮0.5 m 沿巷道走向形成一条高16 m 的非连续切顶面，孔间裂缝连通率约75%，从理论上验证了超前工作面静态膨胀预裂切顶处理端头弧三角悬顶设计方案的有效性和可行性。

3.2 现场应用

以三元煤业四采区4306 工作面为例，从现场应用角度分析端头悬顶静态膨胀预裂切顶效果。4306 综放工作面端头悬顶静态膨胀预裂切顶设计方案见上述2.2 部分。检修班期间在超前工作面50 m之外按设计方案打设预裂孔，然后采用膨胀橡胶封口器自孔口开始封孔，封孔长度0.3～0.5 m，通过与封口器尾部连接的高压注浆管向预裂孔内注入搅拌好的膨胀剂浆液。

三元煤业回采巷道矿压监测结果表明（图6），回采巷道煤柱侧未实施静态膨胀预裂切顶时，超前综放工作面巷道顶板下沉量均不显著，同一断面位置煤柱侧与回采侧巷道顶板下沉量相当且小于跨中顶板下沉量。顶板下沉变形沿巷道跨度方向呈现常规的下凸形式，即使当监测点已接近工作面时，煤柱侧、跨中的巷道顶板下沉量仅为38 mm 和96 mm，两回采巷道均存在不同程度的滞后采空区悬顶现象，不仅使得两端头过渡支架上方顶煤不易破碎，端头顶煤回收率低，而且还存在上隅角瓦斯聚集、瓦斯浓度超限及采空区漏风和遗煤自燃等重大安全隐患，严重影响着工作面的正常生产。三元煤业回采巷道实施超前工作面静态膨胀预裂切顶技术后，超前工作面30 m 动压区范围内回采巷道煤柱侧顶板下沉量增加明显，相同超前距离下回采巷道跨中顶板的下沉量略大于煤柱侧顶板，但均大于回采侧顶板的下沉量。当监测点已接近工作面时，回采巷道煤柱侧和跨中的顶板下沉量增至128 mm 和153 mm，与未采取静态膨胀预裂切顶措施相比，煤柱侧和跨中的顶板下沉量分别增加237%和59%。

图6 回采巷道顶板沉降变形监测曲线

三元煤业超前综放面回采巷道煤柱侧膨胀预裂切顶现场应用表明，在煤柱侧顶板实施静态膨胀预裂后，回采巷道两端头顶板紧随综放工作面的推进而垮落充填采空区，有效解决了上隅角悬顶造成的瓦斯集聚及瓦斯超限问题，改善了端头顶煤的冒放性，端头顶煤采出率由50%～70%增至90%，同时杜绝了端头悬顶带来的诸多重大安全隐患，促进了工作面的安全高效生产。

4 结论

采用理论分析、数值模拟和现场实践相综合的研究方法，以山西三元煤业为工程背景，开展了综放工作面端头悬顶静态膨胀预裂切顶技术研究，所得结论如下：

1）基于理论分析计算得到顶板岩层静态膨胀预裂影响半径，设计了综放工作面端头悬顶静态膨胀预裂切顶方案及参数。

2）通过超前工作面回采巷道顶板岩层静态膨胀预裂的数值模拟结果分析，验证了综放工作面端头悬顶静态膨胀预裂切顶设计方案及参数的合理性。

3）通过超前工作面回采巷道煤柱侧顶板静态膨胀预裂切顶的工程实践，有效解决了高瓦斯综放工作面端头悬顶问题，消除了端头悬顶带来的诸多安全隐患，同时提高了端头顶煤的采出率，促进了三元煤业综放工作面安全高效开采。