大同礦區(qū)石炭系8#層無(wú)煤柱開(kāi)采初采期懸板治理的研究

馬占新，馬亞杰

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 大同 037003；2.山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院 山西 太原 030006）

在井工煤礦的回采過(guò)程中，通常采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，初次人工強(qiáng)制放頂過(guò)去一般采用爆破放頂［1］，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外大都采用水壓致裂技術(shù)進(jìn)行人工放頂，但是針對(duì)大同礦區(qū)石炭系厚煤層無(wú)煤柱開(kāi)采方式下的堅(jiān)硬頂板的初次來(lái)壓前的強(qiáng)制放頂，還是空白領(lǐng)域［2］，經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究，認(rèn)為采用“實(shí)時(shí)周期立體交叉水壓致裂技術(shù)”進(jìn)行老頂初次垮落方面的治理，完全可以實(shí)現(xiàn)綠色、安全、快速生產(chǎn)。

1 同忻礦C8#層北一盤(pán)區(qū)8105工作面概況

同忻北一盤(pán)區(qū)為C8#層8105切巷地面相對(duì)位置位于地面位于后溝與小海溝之間的山坡與溝谷地段，地面標(biāo)高1 162 m～1 173 m/1 167.5 m，工作面標(biāo)高為759 m～767 m/763 m，平均埋深404.5 m，區(qū)域內(nèi)無(wú)水體及建筑物。井下位于同忻井田東部，西部為8#煤層北一盤(pán)區(qū)8105 工作面兩順槽，同層其余為實(shí)煤區(qū)，上覆為同忻礦C3-5#層8104和8105工作面采空區(qū)，層間距平均23 m 左右。8105 工作面上下層對(duì)照示意圖如圖1所示。

圖1 8105工作面上下層對(duì)照示意圖

煤層厚度1.0 m～5.7 m，平均3.61 m。煤層傾角1°～3°，平均2°。工作面走向長(zhǎng)1 802 m～1 809 m，平均1 805.5 m，傾向長(zhǎng)229.5 m。2105 巷從輔運(yùn)巷口起663 m左右，遇到火成巖墻，厚度約0.1 m～0.3 m。5105巷從輔運(yùn)巷口起793 m 左右，遇到火成巖墻，厚度約0.1 m。8105工作面回采220 m范圍內(nèi)，煤層頂板發(fā)育沖刷帶。最大涌水量：1 m3/min，正常涌水量：0.3 m3/min，瓦斯分帶為氮?dú)饧淄閹?，相?duì)涌出量：4.07 m3/t，絕對(duì)涌出量：17.12 m3/min。煤塵具有爆炸性，火焰長(zhǎng)度＞400 mm，自燃發(fā)火期：2.8個(gè)月。地溫：21.3°。地壓：24 MPa。工作面開(kāi)采方式為無(wú)煤柱沿空留巷，采煤方法為走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化大采高一次采全高，沿空留巷為D型聚能管超前切頂卸壓+砌筑高水墻體沿空留巷。C8#層8105工作面綜合柱狀圖如圖2所示。

圖2 C8#層8105工作面綜合柱狀圖

2 實(shí)時(shí)周期立體交叉水壓致裂技術(shù)

在工作面初采期，采空區(qū)直接頂未垮落之前，切眼內(nèi)頂板相當(dāng)于四邊固支，通過(guò)水壓致裂，破壞切眼內(nèi)頂板的四邊固支結(jié)構(gòu)，形成臨時(shí)簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，最后直至老頂全部垮落。由于走向長(zhǎng)度的固支梁，相對(duì)于傾向長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)很小，通過(guò)地應(yīng)力即實(shí)現(xiàn)斷裂。因此水壓致裂主要破壞的是傾向長(zhǎng)度的固支梁，而通過(guò)采用實(shí)時(shí)周期立體交叉水壓致裂技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)以上要求［3-4］。

實(shí)時(shí)周期立體交叉水壓致裂技術(shù)：第1 次水壓致裂為切眼處，之后根據(jù)古塘頂板塌落的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)進(jìn)行致裂，并且上次和本次的水壓致裂孔采用交叉布置，如：8105面第2次致裂為切眼走向長(zhǎng)度(如:8105面為9 m)，之后致裂周期為5 m。同時(shí)對(duì)兩順槽進(jìn)行致裂，如：8105面頭巷超前70 m水壓致裂，尾巷超前70 m采用無(wú)煤柱沿空留巷的D型聚能管超前爆破切頂卸壓方案布置，從而實(shí)現(xiàn)了全方位立體式水壓致裂。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 在同忻C8#層北一盤(pán)區(qū)8105水壓致裂方案

（1）主要參數(shù)（孔深）的確定

C8#層北一盤(pán)區(qū)8105工作面切巷位于同忻井田東部，煤層厚度1.1 m～3.8 m，平均厚度2.3 m，巷高3.6 m～5.8 m，平均巷高4.1 m，根據(jù)垮落帶直接頂和老頂分層碎脹后能填滿采空區(qū)空間的原則，按照公式［5］：

式中：h：垮落帶高度，m；

M：煤層采高，m；

KZ：直接頂和老頂分層的平均巖石碎脹系數(shù)。

由于是初采階段，碎脹系數(shù)偏小，取值1.2～1.3，得出水壓致裂的高度為采高的3～5 倍，即需要控制12.3 m～20.5 m 的頂板，錨索長(zhǎng)度6.3 m，綜合考慮直接頂?shù)暮穸?，與上覆采空區(qū)的安全距離，以及壓裂施工的可操作性，因此去確定深度為17 m。

（2）次要參數(shù)（孔間距、孔徑、水壓等）的確定

C8#層北一盤(pán)區(qū)8105工作面是根據(jù)同忻礦所用致裂設(shè)備型號(hào)及致裂效果確定的。

①致裂孔鉆機(jī)型號(hào)：ZLJ850；鉆桿：φ42 mm鉆桿，長(zhǎng)1.5 m，鉆頭：φ55 mm；

②致裂泵型號(hào)：BZW200/56 注水泵；水壓為30 MPa～50 MPa，平均為43 MPa。

通過(guò)綜合以上兩方面確定了8105 工作面水壓致裂方案。

（3）第1次水壓致裂方案

在切眼內(nèi)靠近回采側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，間距為20 m，共11 個(gè)。向工作面前方，與頂板夾角70°，孔口位置距回采側(cè)煤幫偏移0.3 m（距離古塘幫8.8 m），施工深度18 m，垂深17 m，φ55 mm；在2105巷靠近實(shí)體煤側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，間距為20 m，共4 個(gè)；在5105巷靠近回采幫側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，按照超前切頂預(yù)裂方案確定。具體為鉆孔與回采幫距離≤200 mm，傾角85°，φ50 mm，間距800 mm。

（4）第2次水壓致裂方案

在工作面靠近回采側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，間距為10.5 m，共21 個(gè)。向工作面后方，與頂板夾角75°，孔口位置距回采側(cè)煤幫偏移2.4 m（距離古塘幫17.8 m），施工深度18 m，垂深17.4 m，孔徑φ55 mm；在2105巷未布孔，因上覆實(shí)體煤下，屬于應(yīng)力集中區(qū)，可不予布孔；在5105巷靠近回采幫側(cè)煤壁處布置一排鉆孔，按照超前切頂預(yù)裂方案確定。具體為鉆孔與回采幫距離≤200 mm，傾角85°，φ50 mm，間距800 mm。兩次水壓致裂平面圖如圖3 所示，兩次水壓致裂剖面圖如圖4所示。

圖3 兩次水壓致裂平面圖

圖4 兩次水壓致裂斷面圖

3.2 在同忻C8#層北一盤(pán)區(qū)8105水壓致裂實(shí)際實(shí)施：

（1）時(shí)間節(jié)點(diǎn)

①第一次致裂（切眼預(yù)裂）：2021年3月8日～10日完成11個(gè)孔預(yù)裂，頭巷4個(gè)孔預(yù)裂，11日～13日注水致裂。

②第二次致裂：工作面采至9 m 時(shí)，2021 年8 月1日致裂 1 個(gè)孔，8 月 2 日致裂 4 個(gè)孔，8 月 4 日致裂 7 個(gè)孔，其中 5 號(hào)孔與 4 號(hào)孔溝通，8 月 5 日致裂 8 個(gè)孔，共21個(gè)孔。

（2）施工方案

①8105 工作面在施工過(guò)程中，要提前補(bǔ)打巖性孔，進(jìn)行頂板巖性窺視，根據(jù)窺視孔反映的頂板巖性、厚度變化調(diào)整致裂孔的深度，保證孔末端開(kāi)槽位置位于粗、中、細(xì)砂巖中部。

②兩順槽超高段根據(jù)實(shí)際高度和煤巖層分布情況重新調(diào)整致裂孔深度。

③5105巷依照沿空留巷切頂設(shè)計(jì)預(yù)裂頂板。

④采至17.8 m 處水力致裂孔施工后，若直接頂不能垮落，工作面每推進(jìn)5 m施工一排水力致裂孔，直至頂板垮落。

（3）致裂效果

兩次水壓致裂后，均在工作面煤壁有水珠和掛汗；第一次致裂后，在工作面開(kāi)采時(shí)煤塵少，并且在尾部120#～134#支架后古塘頂板出現(xiàn)少許垮落；第二次致裂后，在工作面開(kāi)采時(shí)，不僅煤層變軟，同時(shí)在工65#～134#（尾端頭）支架后古塘頂板出現(xiàn)大面積垮落，高度為采高的1.5倍，實(shí)現(xiàn)了老頂?shù)某醮慰迓洹?/p>

4 結(jié)論

通過(guò)采用“實(shí)時(shí)周期立體交叉水壓致裂技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)了大同礦區(qū)石炭系C8#層初采期懸板的綠色、安全、快速、回采，并且效益顯著，如：8105工作面，初次垮落提前35 m(15天)完成，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益約150萬(wàn)元左右。