綜放工作面堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化技術(shù)研究

許瑞謙

（山西同煤集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

虎龍溝煤礦開采的5#煤層工作面頂板屬于堅(jiān)硬巖層，結(jié)構(gòu)致密完整，構(gòu)造裂隙及節(jié)理不發(fā)育，自承能力強(qiáng)，在采空區(qū)易形成大面積懸露，不易垮落，威脅煤礦的安全生產(chǎn)[1-2]。目前，預(yù)裂處理不易垮落的頂板常見的措施有水壓致裂、聚能爆破、CO2爆破等，但密集鉆孔預(yù)裂弱化頂板的應(yīng)用較少。本文以81511 工作面為研究背景，針對(duì)綜放工作面頂板不易垮落問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究。

1 工程背景

81511 工作面開采5#煤層，煤層傾角3°～5°，平均煤厚10.68 m，結(jié)構(gòu)簡單，含有夾矸，夾矸主要以泥巖和灰質(zhì)泥巖為主，平均厚度1.2 m。工作面設(shè)計(jì)可采走向長1035 m，傾向長180 m，采放比為1:2.05。直接頂是平均厚度為1.88 m 的高嶺質(zhì)泥巖，基本頂是平均厚度為17.8 m 的粗砂巖。相鄰81501工作面頂板的初次垮落步距和周期來壓步距分別為39 m 和21 m。在工作面開采期間由于頂板過硬致使采空區(qū)頂板大面積懸露，若不及時(shí)處理，一旦發(fā)生垮落會(huì)帶來巨大的沖擊力造成人員傷亡，同時(shí)會(huì)使采空區(qū)瓦斯劇增，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。

2 頂板鉆孔預(yù)裂參數(shù)確定及方案布置

2.1 鉆孔預(yù)裂弱化機(jī)理

圖1 鉆孔周圍巖體應(yīng)力分布

鉆孔預(yù)裂機(jī)理分析與巷道開挖后圍巖應(yīng)力重新分布分析類似。巷道開挖后會(huì)使周圍一定范圍的圍巖在地應(yīng)力的作用下形成三種區(qū)域，分別是：破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。同樣，對(duì)巖體進(jìn)行鉆孔后也有三區(qū)的形成，如圖1 所示為鉆孔周圍圍巖應(yīng)力分布。

鉆孔預(yù)裂主要是鉆孔在地應(yīng)力的作用下發(fā)生應(yīng)力集中，在鉆孔周邊一定的范圍內(nèi)圍巖發(fā)生塑性破壞，形成一個(gè)破裂區(qū)（即弱化區(qū)）。合理的布置鉆孔，使鉆孔之間的弱化區(qū)相互貫通連接，形成一條弱化帶，使得巖體的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使其強(qiáng)度降低，從而起到弱化巖體的作用。

2.2 頂板鉆孔預(yù)裂參數(shù)確定及方案

2.2.1 頂板預(yù)裂鉆孔參數(shù)確定

（1）鉆孔直徑

鉆孔直徑對(duì)工作面頂板預(yù)裂效果有著重要的影響，因?yàn)槠渲睆降拇笮≈苯佑绊懭趸瘏^(qū)半徑的大小，進(jìn)而影響弱化帶的形成。因此，合理的鉆孔直徑對(duì)巖體弱化效果的影響極其重要[3]。理論來說，鉆孔直徑越大，其弱化巖體的效果越好。但考慮到現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，在高應(yīng)力集中區(qū)域，鉆孔直徑越大，在施工期間容易發(fā)生孔內(nèi)沖擊，嚴(yán)重威脅施工人員的人身安全[4]。所以，需結(jié)合鉆機(jī)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，綜合確定鉆孔的直徑。根據(jù)煤礦設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)條件，鉆機(jī)選用ZQJC-1200/11.9S 氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)，鉆頭直徑60 mm，鉆桿長度為1.0 mm。

（2）鉆孔間距

鉆孔間距直接影響弱化巖體的效果。從理論上講，孔間距越小，卸壓效果越明顯。若鉆孔間距過小，導(dǎo)致巖體弱化過度，破壞巷道。因此，必須結(jié)合單個(gè)鉆孔的弱化半徑，合理地布置鉆孔間距，這樣既充分弱化了巖體又避免損壞巷道。根據(jù)不同圍巖應(yīng)力、不同鉆孔直徑對(duì)孔周邊圍巖破壞的影響，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行線性回歸分析[4]，得出鉆孔卸壓區(qū)半徑（即弱化區(qū)半徑）計(jì)算公式：

式中：Rc為鉆孔弱化區(qū)半徑，mm；Pv為垂直應(yīng)力，MPa；d 為鉆孔直徑，mm；Rcoal為煤巖體抗壓強(qiáng)度，MPa。

經(jīng)計(jì)算得出巖體和煤體的鉆孔弱化半徑分別為440 mm 和519 mm?？紤]理論與實(shí)際存在偏差，為確保鉆孔弱化區(qū)之間相互貫通，同時(shí)避免弱化過度而破壞工作面，確定鉆孔間距為1000 mm。

（3）預(yù)裂鉆孔深度的確定

頂板預(yù)裂高度可以根據(jù)頂板垮落形成的矸石能否充填采空區(qū)計(jì)算確定。完整巖石破碎后，因其碎脹性而使體積增大，故按照以下公式計(jì)算預(yù)裂的理論高度[5]：

式中：M 為采高，根據(jù)采放比得割煤高度為4 m；Kp為完整巖體破碎后的碎脹系數(shù)，煤巖體一般取1.25～1.3。帶入公式計(jì)算得出理論預(yù)裂高度為13.3 m。

根據(jù)頂板理論預(yù)裂深度，垮落15 m 高的巖體才能夠充滿采空區(qū)，而工作面頂板巖體自下而上依次為1.7 m 厚的直接頂灰質(zhì)泥巖和12.1 m 厚的基本頂細(xì)砂巖，所以，弱化的主要目標(biāo)是12.1 m 厚的細(xì)砂巖。結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)際放頂效果，確定該工作面弱化頂板的最大垂直高度為15 m。

2.2.2 工作面頂板鉆孔預(yù)裂方案布置

結(jié)合鉆孔參數(shù)及巷道支護(hù)方式，確定工作面頂板弱化的鉆孔布置如圖2。離該工作面煤壁0.5 m處敷設(shè)一排密集切孔縫，切孔方向與頂板成80°朝向采空區(qū)，鉆孔深度為15.5 m，間距為1.0 m，直徑為60 mm。

圖2 工作面頂板松動(dòng)預(yù)裂鉆孔切縫平面圖

3 頂板切縫預(yù)裂效果

為分析工作面鉆孔預(yù)裂后的效果，在81511 工作面兩端及中部安裝液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)儀，結(jié)合初次來壓步距進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析鉆孔預(yù)裂后的效果。表1 為液壓支架工作阻力統(tǒng)計(jì)表，表2 為工作面來壓步距統(tǒng)計(jì)表。

從表1 中看出，在初次來壓期間，81511 工作面煤壁可能會(huì)發(fā)生片幫。此時(shí)，液壓支架的工作阻力最高可達(dá)到7 696.38 kN，其中安全閥多數(shù)為開啟狀態(tài)，來壓強(qiáng)度較大。在這期間，液壓支架的平均工作阻力為5 582.47 kN，是液壓支架額定工作阻力的77.53%。而非來壓期間，液壓支架的工作阻力為3 553.82 kN，是液壓支架額定工作阻力的49.36%。說明支架工作阻力與額定阻力仍有較大距離，表明此方法對(duì)工作面堅(jiān)硬頂板來壓起到很好的控制效果。

表2 中看出，初次來壓步距和周期來壓步距分別為29.1 m 和16.2 m，相比于未經(jīng)過切縫處理相鄰工作面相應(yīng)的來壓步距提前了10 m 和4.8 m，從而降低了因采空區(qū)頂板來壓步距大而造成的生產(chǎn)安全隱患，表明工作面頂板經(jīng)密集鉆孔弱化處理后，提高了安全性。

表1 工作面液壓支架工作阻力統(tǒng)計(jì)表

表2 工作面來壓步距統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

81511 綜放工作面密集鉆孔切縫實(shí)踐表明，工作面初次來壓步距29.1 m，周期來壓步距16.2 m，比未經(jīng)過切縫處理工作面的初次來壓步距和周期來壓步距有所減少。液壓支架在工作期間來壓強(qiáng)度有明顯的降低，可有效減少因頂板堅(jiān)硬不能及時(shí)垮落而造成采空區(qū)大面積懸頂?shù)陌踩[患。