氣相切頂卸壓圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)研究

1 項(xiàng)目背景

馬脊梁礦屬大同煤礦集團(tuán)的千萬(wàn)噸礦井，馬脊梁礦8105工作面北西、西南均為實(shí)煤區(qū)、南東為8103工作面采空區(qū)。8105 工作面開(kāi)采時(shí)對(duì)臨近的5105 巷道會(huì)形成一次或多次采動(dòng)動(dòng)壓影響，且在工作面推進(jìn)后，堅(jiān)硬頂板難以自然垮落；8103 采空區(qū)未能完全充填，造成部分頂板懸頂，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，覆巖重力作用在巷道圍巖上，在這些不利影響的復(fù)合作用下，5105 巷道出現(xiàn)了較嚴(yán)重的頂板下沉、兩幫移近、底鼓和強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，對(duì)工作面的安全高效回采造成了極大的影響，所以有必要采用氣相切頂?shù)姆绞綄?duì)工作面進(jìn)行超前預(yù)裂，從而有效控制巷道圍巖變形。

針對(duì)該問(wèn)題，需采用超前預(yù)裂切頂卸壓的方式實(shí)現(xiàn)圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移，防止圍巖變形及沖擊礦壓等具有安全隱患的現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)綜合考慮，采用二氧化碳致裂技術(shù)是比火工品深孔預(yù)裂爆破和水壓致裂卸壓方式更加安全、經(jīng)濟(jì)、便捷的切頂卸壓方式。

2 研究?jī)?nèi)容

針對(duì)以上工程實(shí)際，同煤集團(tuán)聯(lián)合北京中煤礦山工程有限公司科研團(tuán)隊(duì)，展開(kāi)技術(shù)攻關(guān)，對(duì)馬脊梁礦8105 臨空工作面5102 巷超前預(yù)裂切頂卸壓開(kāi)展了深入的研究工作，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同地應(yīng)力下鉆孔參數(shù)對(duì)裂隙開(kāi)啟與擴(kuò)展的影響、切頂高度及角度與圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的關(guān)系，形成了針對(duì)大同礦區(qū)堅(jiān)硬頂板得氣相切頂超前預(yù)裂成套技術(shù)，有效控制了巷道圍巖變形，滿(mǎn)足了安全開(kāi)采的需要。最終形成了一套適用于大同礦區(qū)堅(jiān)硬頂板的氣相切頂卸壓技術(shù)，解決了工作面臨空巷道強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題。

2018 年12 月09 日，為了確保井下切頂致裂能夠順利進(jìn)行，在馬脊梁礦地面預(yù)先進(jìn)行了二氧化碳致裂器串聯(lián)導(dǎo)通性試驗(yàn)。如圖1所示。

圖1 致裂器導(dǎo)通性實(shí)驗(yàn)

為了解決5105 臨空巷道圍巖變形和強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)問(wèn)題，2019 年7 月～2019 年12 月在馬脊梁礦開(kāi)展了氣相切頂卸壓工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)段在5105 巷道200 m～350 m處，未切頂區(qū)域測(cè)站設(shè)置在巷道450 m處。致裂后致裂孔現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示。

圖2 致裂后致裂孔現(xiàn)場(chǎng)圖

3 創(chuàng)新成果

（1）為了確保井下切頂致裂能夠順利進(jìn)行，在馬脊梁煤礦地面預(yù)先進(jìn)行了二氧化碳致裂器串聯(lián)導(dǎo)通性試驗(yàn)，并詳細(xì)記錄了串聯(lián)阻值。結(jié)果表明：串接電阻值的增幅基本穩(wěn)定，在串接至第39 根時(shí)電阻值突然增大100Ω。50根致裂器串接完畢后進(jìn)行起爆試驗(yàn)，為保證試驗(yàn)安全方便，僅對(duì)第一根致裂器充灌液態(tài)二氧化碳，最終第一根致裂器成功起爆，其余致裂器中的發(fā)熱裝置點(diǎn)火頭均起爆，表明個(gè)別阻值異常增大并不影響其導(dǎo)通性。

（2）為了確定合理的致裂爆破參數(shù)，針對(duì)CO2致裂器爆破進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，確定了致裂器與鉆孔孔徑匹配關(guān)系、爆破時(shí)鉆孔中不同位置受力情況及封孔對(duì)爆破效果的影響。結(jié)果表明：致裂器與孔壁間距越小轉(zhuǎn)換率越高，封孔條件下爆破壓力比不封孔高54.0%，泄放壓力主要作用于釋放孔的徑向。因此在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，致裂器與孔壁間距選取5 mm～10 mm為最佳，且致裂前要進(jìn)行封孔處理。

（3）針對(duì)馬脊梁礦8105 工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，應(yīng)用數(shù)值模擬，對(duì)不同致裂孔間距、切頂高度、角度下切頂后采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布情況做出了分析。結(jié)果表明：氣相切頂卸壓技術(shù)能有效切斷巷道與采空區(qū)頂板之間應(yīng)力傳播途徑，從而減弱實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，改善了巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，使其不再受采空區(qū)頂板垮落下沉影響，使巷道頂板圍巖得到了有效控制；致裂器在巖層中最大有效致裂半徑為1.1 m，致裂孔間距2 m為最佳；不同切頂高度及角度對(duì)采場(chǎng)和巷道應(yīng)力環(huán)境的改變不同，在工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同條件和目的進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

（4）采用方案一（切頂角度30°、深度26.68 m）、方案二（切頂角度45°、深度18.86 m）、方案三（切頂角度60°、深度15.40 m）在5105 巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，對(duì)比分析了未切頂段及不同切頂卸壓段的超前單體液壓支柱阻力、圍巖變形量及煤柱支承壓力，結(jié)果表明：巷道超前單體液壓支柱工作阻力升高的影響范圍約34～40 m，較未切頂區(qū)域，切頂角度為30°、45°、60°的區(qū)域支承壓力峰值分別降低了21.8%、10.3%、3.4%；深基點(diǎn)離層量分別降低了16.5%、10.5%、3%；淺基點(diǎn)離層量分別降低了30.8%、33.8%、7.35%；最大工作阻力分別下降12.55%、8.32%、3.09%；45°和60°圍巖變形量幾乎未變，30°的變形量減小了28.7%。綜上所述，切頂卸壓后可降低超前單體液壓支柱工作阻力、圍巖變形量及煤柱的支承壓力，有利于巷道超前段的圍巖控制，采用方案一時(shí)卸壓效果最佳。

4 應(yīng)用效果

項(xiàng)目研究成果在馬脊梁礦8105 工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，新增產(chǎn)值2 867.5 萬(wàn)元，新增利稅1 380.9 萬(wàn)元。有效改善了工作面臨空巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了圍巖應(yīng)力向?qū)嶓w煤幫深部轉(zhuǎn)移，改善了臨空巷道的維護(hù)條件，實(shí)現(xiàn)了礦井的安全高效生產(chǎn)。

本項(xiàng)目于2020年1月通過(guò)了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的鑒定，獲國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。