薛虎沟煤业2-106A运巷厚层坚硬顶板应力弱化技术研究

刘 凯

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司 ，山西 河津 043300）

1 工程概况

霍州煤电薛虎沟煤业2-106A工作面回采2#煤层，工作面位于621水平，走向长度为470m，倾斜长度为230m，采用综合机械化开采，全部垮落法管理顶板。2#煤层厚度为3.2～5.0m，均厚3.4m，煤层倾角为2°，普式硬度f=0.7。2#煤层直接顶为砂质泥岩，均厚5.75m，普式硬度f=4～5，基本顶为灰白色中粒砂岩，均厚3.6m，普式硬度f=5～6，属于坚硬顶板，直接底为砂质泥岩，均厚5.2m，老底为灰黑色粉砂岩，均厚为2.6m，2-106工作面具体位置如图1所示。

图1 2-106A工作面具体位置示意图

2-106A工作面运输巷断面形状设计为梯形，巷道净高为3420mm，上宽为3440m，下宽为4600mm，巷道沿2#煤层底板掘进，巷道断面为梯形，采用12#工字钢棚支护，工字钢棚梁长度为3340m，棚腿长度为3450m，棚距为600mm，柱窝深度为150mm。巷道支护断面示意图如图2所示。

图2 2-106A工作面运输巷支护断面图

2 巷道变形破坏分析

2.1 巷道破坏特征

根据观察2-106A工作面运输巷具有以下几点变形破坏特征：

1）在静载作用下巷道围岩的变形量大，根据地质资料可知，2-106A工作面回采巷道受到埋深大的影响，在工作面未回采时，巷道围岩即发生较为严重的弯曲变形，其中两帮最大移近量为1000mm，顶底板最大移近量为960mm。

2）巷道在回采动压影响下出现冲击大变形。回采巷道在超前及侧向支承压力的综合作用下，使得巷道在原有变形破坏的基本上进一步加剧，且工作面前方约30m的范围内，顶底板变形量小于两帮变形量，局部出现工字钢棚压弯的现象。

2.2 巷道破坏原因分析

通过对物理力学试验结合理论分析，得出导致2-106A工作面运输巷围岩变形严重的原因。

1）巷道所受静载荷较大，由试验结果知，2#煤层的平均抗压强度为9.8MPa，计算出原岩应力约为13MPa，以超过煤体的单轴抗压强度，另外根据对矿区进行地应力的测试结果可知，最大水平主应力为22.5MPa，最小水平主应力为9.9MPa，垂直应力为1.4MPa，根据上述数据能够得出矿区水平构造应力较大，最小水平主应力也超过了煤体的单轴抗压强度，同样会致使巷道顶板出现变形量大的现象。煤层及底板松软、顶板坚硬造成了巷道围岩的大变形。

2）巷道坚硬顶板破断会造成动荷载的冲击影响，回采过程中，基本顶出现破断后，岩层失稳，工作面来压，且来压现象会随着工作面的推进呈现出周期性的变化[1-3]，根据现场观测数据能够得知，基本顶的周期来压步距为29m，根据岩梁的极限跨距L表达式：

式中：h为基本顶的分层厚度，m；q为关键层承受上覆岩层的重量，kN；RT为极限抗拉强度，MPa。结合2-106A工作面上覆岩层情况能够得出基本顶的初次来压步距为71.3m。

根据工作面取岩芯的结果能够得出，工作面顶板存在5.75m厚的坚硬砂质泥岩及其5.6m的中粒砂岩，厚层直接顶弯曲变形过程中积聚了大量弹性能，当能量积聚到岩体的极限强度后，坚硬岩层便会出现破断滑移现象，能量将大量释放，从而形成强大的动力源对巷道围岩产生破坏[4-5]。根据对基本顶初次破断及周期破断进行计算分析，得出初次破断释放的能力为3.2×109J，周期破断释放的能量为2.3×109J，通过分析顶板破断产生的能量传递到工作面时受到基本顶破断规律、工作面间距离及震源位置、煤岩体性质及岩层弱面结构等的影响[6]，故综合考虑上述因素后，计算得出传递到工作面的能量为2.34×107J，且能够得知初次垮落能量高，周期垮落能量为初次垮落能量的1/3左右。能量越高，则发生冲击的可能性便越大，故2-106A工作面上覆厚层坚硬顶板破断引起的动荷载冲击是导致2-106A运输顺槽围岩变形破坏严重的主要原因。

3 水力压裂坚硬顶板技术

根据上述分析知薛虎沟煤业2-106A工作面运输巷坚硬顶板破断产生的冲击能量造成巷道出现变形量大、难支护的问题。根据巷道现有条件，综合考虑后采用水力致裂技术对2-106A工作面运输巷坚硬顶板进行弱化处理，以实现回采巷道的稳定。

3.1 水力致裂工艺及原理

水力致裂技术所用到的设备主要包括：高压泵、钻机、封孔器、定向切槽刀具、高压管、地质钻机及矿用本安型钻孔窥视仪，上述设备配合使用时能够实现在钻孔注水过程中实时的观测其压力变化情况；辅助设备有：圆图记录仪、压力表、钻孔窥视仪，辅助工具主要用于控制孔壁及切槽情况。具体水力压裂的工序示意图如图3所示。

图3 水力压裂工序示意图

3.2 预裂缝的切槽工艺

顶板定向水力致裂切槽封孔的操作示意图如图4所示。

图4 预裂缝切槽示意图

图4中所用切槽钻头为Φ46mm，切槽钻头配合封孔使用，根据薛虎沟煤业2-106A工作面坚硬顶板岩层的特征，先利用地质钻机在2-106A工作面运输顺槽垂直顶板打设Φ46mm的钻孔，孔深为10m，钻孔打设完毕后，利用锚杆钻机在致裂钻孔的四周打设观测钻孔，观测钻孔与之间钻孔之间的间距为5m，观察测孔的目的主要为测量致裂钻孔的半径，在钻孔打设完毕后，通过矿用型钻孔窥视仪器观测钻孔孔壁，来确保不出现裂纹、离层现象，有效封孔后，在地质钻机上安装切槽刀具，并将刀具伸入钻孔底部，慢速旋转，钻孔大约需要钻进5cm即可，切出1个合理的楔形槽，如图4所示，在水压强度有限条件下，钻孔效果会直接影响到水力压裂效果，通过对2-106A工作面钻孔切槽效果进行观察，从观测结果能够看出切槽效果良好，为坚硬顶板水力压裂切槽成功奠定了良好基础。

3.3 现场工程试验

薛虎沟煤业2-106A工作面在进行水力致裂试验时，布置17个水压致裂孔，孔深20m，孔间距为5m，孔径为46mm，角度为偏向实体煤侧成60°角，孔垂直致裂高度为17.5m，致裂压力能够达到20.8MPa以上，2-106A工作面水力致裂钻孔布置方式如图5所示。

图5 工作面顶板水力致裂钻孔及控制钻孔布置示意图

3.4 水力压裂效果分析

通过在2-106A工作面运输巷水力压裂区域布置测点B，在试验段距离工作面100m时开始对巷道变形量进行持续监测，同时在工作面回采位置前方100m未致裂位置布置测点A，在工作面不断推进后，能够的得出致裂区域和未致裂区域围岩变形量，如图6所示。

图62 -106A运输巷水力压裂与未水力压裂区域围岩变形曲线图

从图6（a）中能够看出，未致裂区域比致裂区域的两帮变形量大，且距离工作面小于60m的区域，致裂区域变形量比未致裂区域变形量减小约40%；从图6（b）中能看出在距工作面位置相同时，致裂区域的顶底板变形量约为未致裂区域的顶底板变形量的60%。根据上述数据能够得出水力致裂技术有效的解决了2-106A运输巷围岩变形量大，治理了工作面冲击动力灾害。

4 结 论

1）通过对2-106A工作面回采期间运输顺槽围岩大变形破坏的特征及原因进行分析，得出动静压力组合作用下，巷道大变形破坏的主要原因为坚硬顶板破断产生的强冲击能量。

2）利用水力致裂技术对2-106A工作面运输巷对巷道坚硬顶板进行弱化处理，坚硬顶板在进行水力弱化后，巷道的围岩变形量大幅减小，有效的解决了回采巷道冲击动力灾害，对类似技术难题提供借鉴。