工作面膨胀致裂切顶技术应用研究

张 耀

（国家能源神东石圪台煤矿，陕西 榆林 719000）

0 引言

煤炭是我国重要的基础能源，其每年的产量直接关系经济发展及国家安全。目前煤炭资源在我国化石能源消耗占据90%以上的比重，在我国一次能源消耗比例中占据70%以上的比重，可以看出煤炭资逐步开采完毕，开采的重点向复杂煤层转移。坚硬顶板是指在矿井开采过程中，由于巷道顶板岩性较为坚硬，使得顶板无法随垮随落，使得巷道出现大面积悬顶[1-2]，大面积的悬顶不仅威胁着矿井的正常生产，同时会造成巷道支护困难[3-4]，为了解决坚硬顶板问题，本文以晋北煤业3208 工作面为研究背景，对坚硬顶板静态膨胀致裂技术进行研究，为矿井坚硬顶板的治理做出一定的贡献。

1 背景介绍及模拟研究

1.1 背景介绍

工作面煤层走向N13°W～N8°E，倾向SW-NW，倾角25°，厚度为14.77 m，属于石炭系太原组中下部，结构复杂，煤层中含不稳定夹矸，顶底板岩性如表1 所示。

1.2 数值模拟研究

为验证膨胀致裂可行性，采用3DEC 软件根据工作面实际情况进行建模分析，模型尺寸为200 m×1 m×80 m 的三维模型，主要研究90～130 m 范围，分别对模型的边界条件进行设定，固定左右、前后、下边界位移，对模型上部施加均布荷载4.87 MPa，同时在模型内部设置监测线，切顶前后覆岩运移云图，如图1所示。

图1 切顶前后覆岩运移云图（单位：m）

可以看出，在切割顶板之前，覆盖层被压缩，导致远离工作面的位置发生坍塌，而靠近工作面的位置没有明显的坍塌。此时，直接顶板较大程度弯曲，形成铰接结构，在100.0～109.2 m 范围内形成悬臂结构，悬臂长度9.2 m。同时，膨胀剂切割顶部后，坍塌高度为4.71 m，形成1.09 m 的四个破碎阶段，形状变化较小，用膨胀剂顶切后破断效果明显，顶切方案可行。

2 工业化试验

通过模拟验证了切顶方案可行性后，进行工程实践，选定倾斜试验段布置，布置示意图如图2 所示。

图2 工作面布置示意图

图3 钻孔布置示意图

工作面平均一天进行5 个循环作业，循环长度为0.6 m，平均一天产生3 m 悬顶，施工方案设计时，根据自由面进行设置。具体的切顶流程如下：首先为压裂准备阶段，此阶段对材料用量以及钻孔具体参数进行设计；其次为施工阶段，此阶段对钻孔进行施工，并将材料搅拌注入钻孔内；最后为封孔和致裂阶段，对钻孔进行封闭，进行膨胀致裂。

膨胀剂采用益凯建材贸易公司生产的，钻孔间距为0.4 m，钻孔长度为0.6 m，为倾斜布置，倾斜角度10°，在端头距离巷旁0.5 m 的位置布置钻孔，共施加6 个钻孔，布置图如3 所示。

进行膨胀剂的配置，按照1∶3 用水搅拌，搅拌均匀后注入灌浆泵，直到浆液完全没有胶结物和固体，然后打开灌浆口；灌浆施工时，将软管连接到灌浆出口，将灌浆软管延伸到灌浆点，然后连接到灌浆钢管上，用封孔器和灌浆钢管将封孔器插入孔口，深度为1 m。在整个灌浆过程中，防止浆液倒流。钻孔灌注泥浆后，取出灌浆钢管，并在钻孔中留下封孔器。用锚固剂封孔两次，避免泥浆流动，完成施工过程。端头支撑压力曲线如图4 所示。

图4 工作面布置示意图

可以看出，在切割顶板之前，覆盖层被压缩，导致远离工作面的位置发生坍塌，而靠近工作面的位置没有明显的坍塌。此时，直接顶板较大程度弯曲，形成铰接结构，在100～109.2 m 范围内形成悬臂结构，悬臂长度9.2 m。同时，膨胀剂顶切后坍塌高度为4.71 m，形成1.09 m 的四个破碎阶段，形状变化较小，膨胀剂底切后破碎效果明显，顶切方案可行。如图4 所示，方形标记为非开挖巷道的顶板支护曲线，圆形标记为预裂过程中端部支护压力的变化曲线。灌浆过程完成后7 h 内，两条曲线的趋势一致

3 结论

1）通过数值模拟验证膨胀开裂和顶部减压方案的可行性，经过模拟发现顶部减压后顶板坍塌高度为4.71 m，形成的阶梯断层段。

2）根据实际地质条件，给出了膨胀压裂顶板泄压技术方案，同时给出了方案的具体施工工艺。

3）通过7 h 的膨胀开裂，发现顶切后端支撑压力迅速下降，此时支撑压力值从26 MPa 迅速下降到16 MPa，下降幅度为10 MPa。