摘要：针对神东矿区普遍存在的坚硬顶板难以垮落问题，分析了工作面端头悬顶、工作面切眼悬顶、工作面中部悬顶、超前支护段坚硬顶板等给煤矿开采生产带来的困难及传统处理方法存在的弊端。在分析水力压裂作用机理的基础上提出了针对面端头悬顶、切眼及中部坚硬顶板、坚硬顶煤弱化、综放面初采瓦斯、临空巷道冲击地压和大变形等控制成套工艺技术。
关键词：坚硬顶板 悬顶 垮落 水力压裂
1.引言
神东矿区普遍存在由于支护强度大而形成的工程坚硬顶板，导致采空区顶板不能及时冒落，当悬顶突然垮落时会引起诸多安全问题。典型问题如寸草塔二矿 22115 综采工作面，由于工作面端头处顶板支护强度大，在工作面开采过程中容易形成端头悬顶，端头悬顶的突然垮落会将采空区的瓦斯挤入采煤工作面，导致工作面瓦斯超限，造成安全隐患，严重影响煤矿的安全生产。
2.坚硬顶板给煤矿开采带来的主要困难
坚硬顶板的分层厚度大、完整性好，且岩石坚硬，抵抗断裂的能力强，导致坚硬顶板长壁工作面在开采过程中，顶板难以及时破断垮落，容易形成悬顶。由此产生的围岩控制与安全难题主要有：
（1）采煤工作面端头悬顶。在坚硬顶板采煤工作面，由于回采巷道煤柱侧巷帮的支撑及端头处巷道顶板高强度的支护，端头顶板大多存在不能及时冒落的问题，容易出现端头悬顶。端头悬顶突然垮落会把采空区的有毒有害气体突然挤出采空区、挤入采煤工作面，造成工作面安全问题。
（2）采煤工作面切眼悬顶。坚硬顶板长壁采煤工作面初采时，由于悬空面积小，采动应力小，支护强度大，顶板不能及时垮落。随着工作面的推进，悬顶面积逐渐增大，导致初采期间切眼区域容易形成大面积的悬顶。
（3）采煤工作面中部悬顶。在一些埋深较浅且上方赋存有坚硬厚顶板的煤层开采初期，由于顶板坚硬、厚度大且矿山压力显现不明显，随着工作面的推进，上部坚硬厚顶板难以及时垮落，容易在工作面中部形成大范围悬顶。
（4）超前支护段坚硬顶板。长壁采煤工作面临空巷道的超前支护段由于受侧向支承压力和超前支承压力的叠加作用，伴随老顶的周期来压，临空巷道的超前支护段周期性的出现了冲击性变形和冲击地压的现象，严重影响矿井的安全生产。
（5）临空巷道大变形。矿井采用长壁采煤法时，由于采掘接替困难或双巷布置等原因，会出现临近工作面的顺槽在本工作面未采之前已掘进或是在回采过程中掘进的情况。受工作面回采超前支承压力与侧向支承压力的动压作用，迎采巷道与临近回采工作面交锋前后一定范围内的围岩变形剧烈，部分巷道报废，严重影响了巷道的使用及矿井安全生产。
3.传统处理方法的问题
传统处理坚硬顶板的方法是打眼放炮强制放顶或顶板预裂，该技术在一定程度上能解决坚硬顶板导致的问题，在煤矿现场应用较广。但随着煤矿开采技术的进步，对坚硬顶板控制在技术上的先进性和经济上的合理性要求也越来越高，传统爆破控顶技术凸显出诸多弊端：
（1）煤矿井下雷管等火工品管理复杂、潜在危险大；
（2）人工爆破强制放顶单孔控制范围小、爆破孔深有限、工程量及炸药消耗量大；
（3）爆破造成空气、震动等二次污染，产生的一氧化碳等有毒有害气体污染井下作业环境；
（4）动力扰动大，爆破冲击易损害支架；
（5）安全性差，炸药爆破的火花和瞬时产生大量 CO 等有害气体造成安全隐患，对于高瓦斯矿井不宜采用；
4.水力压裂作用机理
通过水压致裂弱化岩体的整体强度是采用水压致裂技术处理坚硬顶板的关键。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆水压致裂对岩体的弱化主要体现在两方面：一是通过水压裂缝的起裂和扩展，改造岩体的宏细观结构，弱化岩体的力学性能；二是通过水对岩石的物理化学作用，降低岩石的力学性能。二者共同作用弱化岩体的力学性能，降低顶板岩石的整体强度，使顶板及时垮落，减小顶板来压强度，防止顶板突然垮落而导致的冲击地压、暴风等危害。水压致裂通过对岩体的结构改造及物理化学作用，弱化岩体的力学性能，降低顶板岩石的整体强度。同时，水压致裂弱化与采掘工作在时间和空间上协调进行，使弱化后的坚硬顶板在采动应力作用下及时垮落。
5.针对不同类型坚硬顶板水压致裂控制的成套工艺
针对不同类型工程特点，控制水压主裂缝扩展、翼型裂纹扩展和吸水湿润作用，改造顶板结构，使其及时充分冒落，实现围岩弱化、应力转移、诱导矿压破煤等功能。研发了工作面端头悬顶、切眼及中部坚硬顶板、坚硬顶煤弱化和综放面初采瓦斯等控制成套工艺技术。
5.1 采煤工作面端头悬顶水压致裂控制
针对采煤工作面端头悬顶技术难题，根据采煤工作面端头顶板的支护体系和整体稳定性特点，结合水压致裂的裂缝扩展规律，采用主要沿巷道帮切断端头顶板+弱化端头顶板锚固体整体力学性能的控制思路，在顺槽超前支护段沿巷帮用锚索钻机向顶板施工小孔径（φ32 mm）致裂钻孔。然后通过小孔径高压密封安装管将小孔径封孔器送至指定位置封孔，使用高压泵对顶板进行高压水压致裂，在其内部产生水压主裂缝和翼型分支裂纹，改造顶板结构并弱化顶板强度，形成利于顶板断裂垮落的弱面，诱导顶板在矿山压力作用下及时充分垮落。
5.2 采煤工作面切眼坚硬顶板水压致裂控制
针对采煤工作面切眼悬顶技术难题，根据切眼支护和顶板稳定性特点，水压致裂控制切眼悬顶采用“主要切断切眼顶板四周和岩层分裂+弱化切眼顶板锚固体整体力学性能”的控制思路。在采煤工作面正、副帮上方顶板用锚索钻机向上施工Ф32 mm 的致裂钻孔，并在切眼端头顺槽处顶板向上施工 Ф32 mm 的多孔线性致裂钻孔。采煤工作面切眼坚硬顶板水压致裂控制在神东矿区寸草塔二矿进行了应用，当工作面从切眼推采 22.5 m 时，沿面长方向架后顶板均有垮落，并逐渐充实采空区消除了工作面初采时顶板大范围突然垮落造成冲击和飓风等隐患。
5.3针对采煤工作面中部悬顶技术难题
采用在措施巷内向顶板施工扇形钻孔，提前预裂工作面中部位置的坚硬顶板。通过扇形钻孔布置，实现远距离坚硬顶板水压致裂控制。随着工作面的推进，工作面中部顶板及时充分的垮落，避免在工作面中部出现大面积悬顶。采煤工作面中部悬顶水压致裂控制技术在榆林柳巷煤矿进行了应用，根据监测，在工作面推进至106 m 时，出现涌水量变大然后又减小的情况，表明上位老顶已经破断，承压水涌出。消除了悬顶突然垮落造成的安全隐患。
5.4 高瓦斯综放面坚硬顶煤顶板水压致裂治理
针对综放面初采期间瓦斯治理技术难题，在顶板措施巷内布置钻孔对坚硬顶煤、顶板进行水压致裂，在其内部产生水压主裂缝和翼型分支裂纹，改造其内部结构，弱化顶煤和顶板，诱导初采矿压破煤，改善初采顶煤冒放性和顶板冒落性；从而减少采空区遗煤和瓦斯，增强初采顶板高抽巷与采空区的导通性和瓦斯抽采效果，减弱作面初次来压强度，实现控制综放面初采瓦斯超限的目的。
6.技术经济比较
水压致裂技术在处理坚硬顶板问题上表现出不可替代的技术经济优势，与传统爆破弱化顶板相比，水压致裂弱化顶板管理简单、安全性高、工程量少、作用范围大、控制距离远，而且经济成本不到其1/10。坚硬顶板水压致裂控制技术在安全性、工程量、控制距离、技术效果和应用范围等方面具有显著的优势。深部开采是我国的必然趋势，深部开采中爆破动力扰动易诱导动力灾害；而水压致裂的动力扰动小，安全性高，在神东矿区应用前景广阔。
参考文献：
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作者简介：李耀龙（1983-），男，陕西商洛人，工程师，现就职于国家能源集团榆林神华能源公司青龙寺煤矿分公司，主要从事矿井测绘和煤矿采掘相关的技术、科研与管理工作。
论文作者:李耀龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/7
标签：顶板论文; 工作面论文; 水压论文; 坚硬论文; 巷道论文; 采空区论文; 瓦斯论文; 《基层建设》2019年第32期论文;