工作面膨脹致裂切頂技術應用研究

張 耀

（國家能源神東石圪臺煤礦，陜西 榆林 719000）

0 引言

煤炭是我國重要的基礎能源，其每年的產量直接關系經濟發展及國家安全。目前煤炭資源在我國化石能源消耗占據90%以上的比重，在我國一次能源消耗比例中占據70%以上的比重，可以看出煤炭資逐步開采完畢，開采的重點向復雜煤層轉移。堅硬頂板是指在礦井開采過程中，由于巷道頂板巖性較為堅硬，使得頂板無法隨垮隨落，使得巷道出現大面積懸頂[1-2]，大面積的懸頂不僅威脅著礦井的正常生產，同時會造成巷道支護困難[3-4]，為了解決堅硬頂板問題，本文以晉北煤業3208 工作面為研究背景，對堅硬頂板靜態膨脹致裂技術進行研究，為礦井堅硬頂板的治理做出一定的貢獻。

1 背景介紹及模擬研究

1.1 背景介紹

工作面煤層走向N13°W～N8°E，傾向SW-NW，傾角25°，厚度為14.77 m，屬于石炭系太原組中下部，結構復雜，煤層中含不穩定夾矸，頂底板巖性如表1 所示。

1.2 數值模擬研究

為驗證膨脹致裂可行性，采用3DEC 軟件根據工作面實際情況進行建模分析，模型尺寸為200 m×1 m×80 m 的三維模型，主要研究90～130 m 范圍，分別對模型的邊界條件進行設定，固定左右、前后、下邊界位移，對模型上部施加均布荷載4.87 MPa，同時在模型內部設置監測線，切頂前后覆巖運移云圖，如圖1所示。

圖1 切頂前后覆巖運移云圖（單位：m）

可以看出，在切割頂板之前，覆蓋層被壓縮，導致遠離工作面的位置發生坍塌，而靠近工作面的位置沒有明顯的坍塌。此時，直接頂板較大程度彎曲，形成鉸接結構，在100.0～109.2 m 范圍內形成懸臂結構，懸臂長度9.2 m。同時，膨脹劑切割頂部后，坍塌高度為4.71 m，形成1.09 m 的四個破碎階段，形狀變化較小，用膨脹劑頂切后破斷效果明顯，頂切方案可行。

2 工業化試驗

通過模擬驗證了切頂方案可行性后，進行工程實踐，選定傾斜試驗段布置，布置示意圖如圖2 所示。

圖2 工作面布置示意圖

圖3 鉆孔布置示意圖

工作面平均一天進行5 個循環作業，循環長度為0.6 m，平均一天產生3 m 懸頂，施工方案設計時，根據自由面進行設置。具體的切頂流程如下：首先為壓裂準備階段，此階段對材料用量以及鉆孔具體參數進行設計；其次為施工階段，此階段對鉆孔進行施工，并將材料攪拌注入鉆孔內；最后為封孔和致裂階段，對鉆孔進行封閉，進行膨脹致裂。

膨脹劑采用益凱建材貿易公司生產的，鉆孔間距為0.4 m，鉆孔長度為0.6 m，為傾斜布置，傾斜角度10°，在端頭距離巷旁0.5 m 的位置布置鉆孔，共施加6 個鉆孔，布置圖如3 所示。

進行膨脹劑的配置，按照1∶3 用水攪拌，攪拌均勻后注入灌漿泵，直到漿液完全沒有膠結物和固體，然后打開灌漿口；灌漿施工時，將軟管連接到灌漿出口，將灌漿軟管延伸到灌漿點，然后連接到灌漿鋼管上，用封孔器和灌漿鋼管將封孔器插入孔口，深度為1 m。在整個灌漿過程中，防止漿液倒流。鉆孔灌注泥漿后，取出灌漿鋼管，并在鉆孔中留下封孔器。用錨固劑封孔兩次，避免泥漿流動，完成施工過程。端頭支撐壓力曲線如圖4 所示。

圖4 工作面布置示意圖

可以看出，在切割頂板之前，覆蓋層被壓縮，導致遠離工作面的位置發生坍塌，而靠近工作面的位置沒有明顯的坍塌。此時，直接頂板較大程度彎曲，形成鉸接結構，在100～109.2 m 范圍內形成懸臂結構，懸臂長度9.2 m。同時，膨脹劑頂切后坍塌高度為4.71 m，形成1.09 m 的四個破碎階段，形狀變化較小，膨脹劑底切后破碎效果明顯，頂切方案可行。如圖4 所示，方形標記為非開挖巷道的頂板支護曲線，圓形標記為預裂過程中端部支護壓力的變化曲線。灌漿過程完成后7 h 內，兩條曲線的趨勢一致

3 結論

1）通過數值模擬驗證膨脹開裂和頂部減壓方案的可行性，經過模擬發現頂部減壓后頂板坍塌高度為4.71 m，形成的階梯斷層段。

2）根據實際地質條件，給出了膨脹壓裂頂板泄壓技術方案，同時給出了方案的具體施工工藝。

3）通過7 h 的膨脹開裂，發現頂切后端支撐壓力迅速下降，此時支撐壓力值從26 MPa 迅速下降到16 MPa，下降幅度為10 MPa。