井工矿坚硬顶煤顶板控制方法的技术经济分析

陈树亮，黄炳香

(1.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

坚硬顶板是指采矿工作面回采后不能及时垮落，在采空区形成悬顶，可能会引发围岩控制与安全保障等一系列问题的顶板。坚硬顶板分为地质坚硬顶板和工程坚硬顶板，地质坚硬顶板是指硬度大、分层厚度大、裂隙不发育的岩层，工作面回采完成后，坚硬顶板往往悬而不掉，当悬顶面积达到极限稳定值后，大面积坚硬顶板瞬间垮落，将采空区中的气体瞬间挤出，将造成瓦斯超限及次生灾害，或形成飓风冲击人员和设备，甚至造成大面积地面沉陷引发地震等；在采矿工程实践中，还有一些顶板硬度不大(f≤5)，但完整性较好，裂隙不发育，同时，顶板的支护强度大，工作面推进速度快(8～10 m/d)，由于顶板回转变形时间不足，往往导致工作面上下端头形成周期性的悬顶，这种类型的顶板抗压强度不大，但是由于工程原因导致具有坚硬顶板的特征，称之为工程坚硬顶板，以神东矿区最为典型。

由于坚硬顶煤不能及时冒落或冒落块度大，常常导致放煤困难，造成顶煤放出率低、资源浪费等问题；在高瓦斯矿井内，如果大量顶煤遗留在采空区，解吸出大量的瓦斯，容易导致上隅角瓦斯超限或老顶来压，造成采空区瓦斯大量挤出等问题；易自燃煤层如果大量顶煤遗留在采空区，还会导致采空区遗煤自燃发火，甚至引发采空区瓦斯爆炸。

处理坚硬顶煤和坚硬顶板常用的方法是炸药爆破[1]，但是安全性较差，《煤矿安全规程》已禁止在采动影响区内使用炸药爆破，同时炸药爆破还存在火工品管理复杂、钻孔工程量大等问题。除采用炸药爆破法外，部分矿区也进行了二氧化碳相变致裂的试验，但是因成本高、单孔作用范围小、技术经济性差，因此很难大范围推广应用。

水力致裂是处理坚硬顶煤和坚硬顶板的一种新的有效技术途径[2]，通过钻孔向煤岩体中注入高压水，在流固耦合的作用下，钻孔壁产生裂缝并扩展，最终在煤岩体中形成裂缝网络，具有单孔作用范围大、安全性高、成本低等优点。本文通过对比分析不同坚硬顶板致裂控制方法的特点、作用范围、施工管理及经济性，对目前常用的坚硬顶板(煤)控制方法的技术作出综合性评价，以期为井工矿坚硬顶板(煤)控制提供指导。

1 坚硬顶板致裂控制方法的特点

坚硬顶板的控制方法主要有深孔爆破、水力致裂、二氧化碳相变致裂、静力膨胀剂等，各方法各有其优缺点，在采取各种顶板控制方法时应取长补短。

1) 深孔爆破。深孔爆破的破岩原理是将炸药爆炸的能量作用在煤岩介质上，形成压碎区和裂隙区，压碎区由冲击波和高温高压爆生气体作用形成，裂隙区由压缩应力波和卸载波以及爆生气体复合作用形成[3]。深孔爆破是坚硬顶板控制的传统方法，技术成熟，应用最广，但存在安全性差、火工品审批管理复杂、深孔装药困难等诸多问题。

2) 水力致裂。相比于深孔爆破，水力致裂单孔作用范围更大，一般可以达到10 m以上，且单孔压裂范围与钻孔的直径没有必然关系，但与泵注排量和压裂时间有关，因此，可以选择最经济的钻孔施工方案。水力致裂的压裂岩层不受孔深限制，最深压裂钻孔可达到100 m以上。此外，水力致裂处理坚硬顶板时不产生火花，安全性更高。

3) 二氧化碳相变致裂。 二氧化碳相变致裂是利用高压液态二氧化碳瞬间变成气态，形成气体高压破碎煤岩体的过程。二氧化碳相变致裂能量密度低，对应的单孔作用范围小，但二氧化碳相变致裂是物理变化，不产生火花，在某些特定场所使用安全性较高。

4) 静力膨胀剂致裂。静力膨胀剂致裂是利用装在钻孔中的静力膨胀剂加水后发生化学反应，使膨胀剂晶体变形，产生体积膨胀，从而缓慢地将膨胀力(可达30～50 MPa)施加给钻孔孔壁，将岩石破碎。 其具有无振动、无飞石、无噪音等优点，但是单孔作用范围比炸药爆破小得多。 井下工程实践中静力膨胀剂钻孔间排距300 mm×300 mm，同时该化学反应往往都是放热反应，在高瓦斯矿井和易自燃煤层中使用会有安全隐患，因此在煤矿井下的应用较少。

2 应力环境对爆破与压裂的影响

用水泥砂浆浇筑3个300 mm×300 mm×300 mm的试块，在试块的中心预置一根长度220 mm的封孔器，封孔器底部的裸孔段模拟钻孔。待试块完全凝固后，将其中的一个试块运往野外，将1发电雷管通过封孔器塞入模拟钻孔底部，为便于观察爆破后的裂缝范围，通过封孔器向试块中注入带有颜料的水，然后在无围压条件下起爆，爆生裂缝扩展到试块表面(图1)。

图1 无围压水压爆破Fig.1 Water pressure blasting without confining pressure

将第2个试块放入能够模拟真三轴应力环境的试验台中[4]，再将5发电雷管通过封孔器送入到模拟钻孔底部，通过钢管向试块中注入带有颜料的水，然后加载σ1=12.31 MPa、σ2=10.77 MPa、σ3=9.23 MPa的三轴围压，同时起爆5发电雷管后将试块从试验台中取出，试块表面并没有肉眼可见的爆生裂隙。将试块剖开后，试块内部爆破产生的压碎区范围较小，裂隙区范围也明显小于无围压时裂隙区(图2)。

图2 真三轴围压加载条件下的水压爆破Fig.2 Water pressure blasting under true triaxial stress loading

将第3个试块放入同一个真三轴试验台中，加载相同的三轴围压后，通过封孔器向试块中注入高压水进行水力致裂，直至有大量的水从试验台渗出停止注水。将试块从试验台中取出，试块表面有明显的水压裂隙，在外力作用下，试块可以轻松劈开，水压裂缝贯穿试块的表面(图3)。

图3 真三轴围压加载条件下的水力致裂Fig.3 Hydraulic fracturing under true triaxial stress loading

对比上述三个试验可以看出，应力环境对爆破的影响较大，在三轴应力环境下(无自由面)爆破的范围远小于无围压情况下(有自由面)爆破的范围。在相同的围压下通过控制水力致裂时间，可以控制压裂范围。

3 基于能量控制的各种破岩方式作用范围对比分析

3.1 定能量破岩方式与变能量破岩方式

炸药爆破、二氧化碳相变致裂和静力膨胀剂三种破岩方式的装药量受到钻孔直径和钻孔深度的限制。以炸药爆破为例，《煤矿安全规程》规定“深孔爆破时封泥长度不得小于孔深的1/3”，因此深孔爆破时最大的钻孔装药量不超过孔深的2/3，一个固定孔径、固定深度的钻孔，可以装入的最大炸药量是一个定值，炸药爆破后产生的爆破总能量也为一个定值。经过大量的理论计算和试验研究，矿用水胶炸药爆破产生的压碎区半径为装药半径的1.5～3倍，裂隙区半径为装药半径的10～17倍[3,5]。同理，二氧化碳相变致裂和静力膨胀剂的破岩总能量对于固定的钻孔来说也是一个定值，这类单个钻孔中破岩总能量为一个定值的破岩方式被称为单孔定能量破岩方式。

水力致裂与炸药爆破等定能量破岩的方式不同，其是用封孔器将钻孔封闭后，向钻孔底部持续的输入高压水，用高压水的能量来破碎岩石，破碎岩石的总能量大小随时间延长而不断增大，与钻孔的直径和钻孔的深度没有直接关系。水力致裂单孔作用半径远大于定能量破岩方式，可达10～100 m，单孔作用范围与钻孔直径无关，而是随泵注排量的增大而增大。这种单个钻孔的破岩能量为一个变化值的破岩方式被称为单孔变能量破岩方式。

定能量破岩方式破岩总能量受钻孔直径和钻孔深度的制约，为增加破岩能量，在工程实践中往往通过增加钻孔直径和减小钻孔间距方式来改善岩层致裂效果，同时也增加了钻孔工程量和岩层致裂成本。单孔变能量的破岩方式因破岩总能量与钻孔的直径没有必然关系，所以在工程实践中可以根据实际情况选择最经济、最方便的孔径进行施工，施工小直径的钻孔既可以提高钻孔施工速度，又可以降低施工成本，如综采工作面端头悬顶水力致裂时通常选用锚索钻机进行快速施工。

3.2 二氧化碳相变致裂与炸药爆破的能量对比

在工程实践中不难发现二氧化碳相变致裂单孔作用范围比炸药爆破更小，这是因为二氧化碳相变致裂相比于炸药爆破的能量密度更低[6]。以煤矿常用的57型二氧化碳致裂器为例，57型致裂器的矿用乳化炸药当量和TNT炸药当量见表1[7-8]。在直径为57 mm、长度为1.48 m的钻孔段中可以装入6 907.8 g矿用炸药，大约是二氧化碳相变致裂能量的10倍，因此，二氧化碳相变致裂在单位钻孔长度内可以释放的能量比炸药爆破低的多。同时，二氧化碳相变致裂的猛度相比与炸药爆破也低的多，对坚硬岩层的破坏能力有限，煤矿现场主要应用在煤层增透方面。现场试验表明57型致裂器在煤层中的影响半径为4.5～5.0 m。

表1 57型致裂器的炸药当Table 1 Explosive equivalent of type 57 fracturing device

4 致裂控制方法的施工与管理

4.1 各种致裂方法的工程量对比

定能量破岩方式中炸药爆破的致裂半径大于二氧化碳相变致裂和静力膨胀剂致裂，而炸药爆破的单孔作用半径可达到20倍的钻孔半径，为1～2 m。变能量破岩方式中以水力致裂为例，单孔作用半径可达10 m以上，比定能量破岩方式高一个数量级。因此，水力致裂的钻孔间距大于炸药爆破的钻孔间距，且水力致裂的作用范围与钻孔直径无关，因此，可以采用最便捷、最经济的钻机施工，且钻孔工程量较低。

水力致裂控制顶板需要封孔和压裂两个工序，炸药爆破需要装药和爆破两个工序。当钻孔深度大于30 m后的深孔装药非常困难，装药效率很低，而水力致裂的封孔效率更高，且受钻孔深度的影响较小。因此，水力致裂控制顶板具有一定的优势。

4.2 致裂岩层与工作面生产能否协同作业

以综采工作面端头悬顶致裂控制为例，采用炸药爆破的方法施工流程为钻孔施工-装药-撤人-检查-爆破-再检查-恢复生产，爆破作业时必须执行“一炮三检”制度和“三人连锁爆破”制度，并在起爆前检查起爆地点的甲烷浓度；采用水力致裂的方法施工流程为钻孔施工-封孔-压裂区域警戒-连管压裂-拆管-解除警戒。水力致裂与炸药爆破最大的区别在于是否需要停产撤人，水力致裂不需要停产撤人，只是压裂期间禁止人员从压裂孔口附近经过，对工作面正常生产影响较小。在工作面超前支护段内超前预裂顶板，待工作面采过后顶板能够随采随冒，水力致裂控制顶板与工作面正常生产能够协同作业，无需停产，因此劳动效率更高。

此外，爆炸物品的地面管理和井下运输管理都很复杂，在某些区域地面炸药库，必须要有专业安保公司负责安全管理。在煤矿井下，炸药不允许通过矿车运输到工作面，都是靠人工背到工作面，工人劳动强度大，人力资源成本高。

5 致裂控制方法的成本

5.1 二氧化碳相变致裂和炸药爆破的成本对比

二氧化碳相变致裂器每起爆一次就需要将致裂器运输到地面充装一次二氧化碳气体，并更换点火头和泄能片，考虑二氧化碳气体成本和致裂器使用寿命，单次相变致裂的使用成本在几十元到一百多元不等，因此按均价80元/次计算。而57型致裂器的矿用乳化炸药当量为699.8 g，折算成1 t矿用炸药的成本为114 285元/t，远远高于矿用炸药的市场价。在不考虑二氧化碳充装设备折旧费用的情况下，二氧化碳相变致裂比炸药爆破成本高很多，因此，二氧化碳相变致裂和静力膨胀剂都是在非常特定的情况下使用。

5.2 炸药爆破和水力致裂的成本对比

为对比炸药爆破和水力致裂的工程量和经济性，以晋城某矿综采工作面端头悬顶控制为例比较15111回风巷炸药爆破和15112回风巷水力致裂两种顶板控制方法的经济性。 15111回风巷与15112回风巷都位于矿井东北部，巷道东西布置，埋深186～206 m，主要开采15号煤层，煤层倾角为3°～8°，煤质较软，赋存稳定，煤层顶板为K2石灰岩，单轴抗压强度平均为39.55 MPa，煤层底板为泥岩，单轴抗压强度平均为12.29 MPa。水力致裂对顶板控制较炸药爆破效果较好(图4)。

图4 炸药爆破与水力致裂技术控制顶板的效果Fig.4 Effect of explosive blasting and hydraulic fracturing technology on hard roof control

5.2.1 炸药爆破

在工作面回风顺槽平行于巷道斜向采空区施工一排钻孔(图5)，钻孔直径为75 mm，钻孔角度为45°，钻孔长度为13 m，钻孔间距为6 m，其中单个钻孔装药长度为8 m，封泥长度为5 m，装药量为14.2 kg。《煤矿安全规程》规定在工作面采动影响区内禁止爆破，所以顶板预裂爆破孔要超前工作面30 m施工和爆破。因爆破钻孔的直径是75 mm，因此需要采用台式液压钻机进行施工，钻机的施工速度和移动速度都较锚索钻机慢。根据顶板爆破方案，炸药爆破100 m坚硬顶板的总费用见表2。

图5 爆破钻孔布置示意图Fig.5 Schematic diagram of blast borehole layout

表2 炸药爆破费用明细Table 2 Breakdown of explosive blasting cost

5.2.2 水力致裂

水力致裂钻孔布置方案如图6所示。在15112工作面回风巷超前支护段内靠近煤柱侧，用锚索钻机竖直向上施工一组孔直径为34 mm、孔深为7 m、孔间距为10 m的钻孔；在15112工作面回风巷超前支护段内靠近工作面侧， 用锚索钻机仰角75°～80°斜向上施工一组孔直径为34 mm、孔深为7 m、孔间距为10 m的钻孔。靠近工作面侧的钻孔和靠近煤柱侧的钻孔交错布置。根据水力致裂方案，水力致裂控制100 m坚硬顶板的总费用见表3。

图6 工作面端头悬顶水力致裂控制方案Fig.6 Scheme of hydraulic fracturing for controlling overhanging roof in the end of the working face

表3 水力致裂费用明细Table 3 Breakdown of hydraulic fracturing cost

由表2和表3可知，炸药爆破100 m坚硬顶板时，水力致裂处理工作面端头悬顶的成本约为86.5元/m，炸药爆破处理工作面端头悬顶的成本约为269.9元/m，因此水力致裂比炸药爆破成本更低。

6 水力致裂控制方法的经济与社会效益

6.1 经济效益

1) 技术经济性收益。①坚硬顶煤顶板水力致裂控制技术与工作面生产平行作业，产量提高5%以上；②与炸药爆破放顶相比，水力致裂控制技术的成本降低50%以上。

2) 直接经济效益。直接经济效益主要体现在增加矿井产量和降低生产成本两个方面。

3) 间接经济效益。安全是最大的效益，事故是最大的损失。山西安平煤矿2016年“3·23”顶板重大事故造成20人死亡，1人受伤，直接经济损失2 804.4万元；吉林八宝煤矿2015年“3·29”特别重大事故造成53人死亡、20人受伤，直接经济损失6 695.4万元。水力致裂控制技术提高了坚硬顶煤顶板处理的安全性，保障了矿井的安全生产，避免了悬顶事故造成的人员伤亡及经济损失。

6.2 社会效益

1) 消除了采空区悬顶及其衍生灾害的系统性风险，安全效益显著。水力致裂使顶板及时充分垮落充填采空区，消除了采空区积聚瓦斯的隐患，避免了大面积悬顶突然垮落产生的冲击、飓风、瓦斯(煤尘)爆炸等重大灾害。

2) 水力致裂替代炸药爆破处理坚硬顶板，提高了技术本身的安全性，避免了爆破引发的系列安全隐患及火工品的复杂管理问题。水力致裂弱化在工程量、费用、施工管理、安全性、控制距离等方面明显好于传统的爆破弱化，是井工矿坚硬岩体弱化的发展方向。

3) 水力致裂控制顶煤顶板与工作面生产协同作业，提高了生产效率和安全性，施工期间无需大范围撤人，可正常生产，保障了采煤作业的连续性。

4) 提高了资源采出率，减少了资源浪费。以铜川某煤矿2303综放工作面为例，水力致裂后顶煤平均冒放块度降低了57%，顶煤放出率由30%提高到75%。

5) 改善了工人作业环境，提升了职业安全健康。以铜川某煤矿2303综放工作面为例，水力致裂后工作面的粉尘浓度降低了27%，避免了大量炸药同时起爆产生大量的一氧化碳、氮氧化物等有毒有害气体。

6) 适用于煤矿及非煤井工矿采空区悬顶控制，推广应用前景广阔。我国坚硬顶板赋存煤层占30%以上，覆盖50%以上矿区，坚硬特厚煤层储量丰富，大量非煤矿山采空区致灾需治理。

7 结 论

1) 根据固定钻孔中破岩能量是否恒定，将炸药爆破、二氧化碳相变致裂和静力膨胀剂致裂划分为定能量破岩方式，将水力致裂划分为变能量破岩方式。定能量破岩方式受应力环境的影响比变能量破岩方式大，定能量破岩方式在三轴围压环境下，破岩能力大大降低。

2) 二氧化碳相变致裂的破岩范围比炸药爆破小，成本比炸药爆破高，但是不产生火花，适用于某些特定的工程背景。

3) 水力致裂控制坚硬顶板比炸药爆破在工程量、施工便捷性和成本等多个方面有优势，且能够与工作面生产协同作业。井工矿坚硬顶板水力致裂控制技术是未来发展方向。