综放工作面隅角悬顶二氧化碳压裂放顶技术

秦晓伟

（山西高河能源有限公司，山西 长治 047100）

工作面隅角悬顶[1-2]极易引起瓦斯积聚，制约工作面安全生产，特别是对于高瓦斯矿井而言，悬顶的安全隐患更高。广大工程技术人员对退锚、爆破放顶、水力压裂等技术进行了广泛实践，均取得一定成果[3-6]。采用二氧化碳气相致裂放顶技术处理隅角悬顶较少，其具有施工快捷、适应性强等特点，特别是对于工作面局部区域悬顶处理具有独特优势。

1 工程概况

1.1 工作面情况

高河能源E2308 工作面为东二盘区工作面，北面为E2309 工作面，南面临E2307 工作面采空区，西面接+450 m 水平北翼大巷。E2308 工作面切眼长335 m，胶带顺槽全长1255 m，与进风顺槽相距285 m，与回风顺槽相距335 m；进风顺槽全长1255 m，与回风顺槽相距45 m；回风顺槽全长1305 m。E2308工作面开采3号煤层，煤层均厚6.8 m，倾角平均3°；综采放顶煤开采，工作面采高3.5 m，放煤高度3.3 m。煤层直接顶为泥岩，厚2.8 m；老顶为砂质泥岩-细砂岩，厚13.6 m；直接底为粉砂岩，厚3.7 m。该工作面整体处于向斜东翼，内有Fe124、Fn106 两个正断层。高河能源为高瓦斯矿井，E2308 工作面经抽采后瓦斯含量为5.688 3 m3/t，可解吸瓦斯含量为3.618 5 m3/t。工作面布置如图1。

图1 工作面布置图

1.2 巷道顶板情况

E2308 工作面胶带顺槽、进风顺槽和回风顺槽均沿煤层底板掘进，胶带顺槽净宽5.2 m，净高3.6 m，采用锚网支护，顶板每排7 根锚杆，间排距800 mm×900 mm，采用锚索补强，“三三”布置，间排距为1400 mm×1800 mm；进风顺槽净宽5.2 m，净高3.9 m，顶板每排7 根锚杆，间排距为800 mm×900 mm，采用锚索补强，“三三”布置，间排距1400 mm×900 mm；回风顺槽净宽4 m，净高3.7 m，顶板每排6 根锚杆，间排距800 mm×900 mm，采用锚索补强，“三三”布置，间排距1200 mm×1800 mm。

在工作面生产过程中，检修班每天将胶带顺槽排头1#架后柱至老塘段顶板锚索托盘退去，为防止回风顺槽老塘大面积垮落，将顶板靠近老塘一侧的锚索托盘退去，将进风顺槽巷道靠近工作面的两排顶板锚索托盘退去。根据工作面隅角悬顶垮落情况，在现场生产过程中，采用退锚和剪网等措施后，胶带顺槽和回风顺槽隅角悬顶极易超过10 m2，需进行压裂放顶。

2 气相压裂方案设计

2.1 钻孔参数

工作面隅角悬顶较大时，在胶带和回风顺槽三角区老塘范围内，不超过后溜电机所在三角区，施工二氧化碳气相压裂钻孔。钻孔施工区域位于工作面后溜三角区靠老塘侧第一排与第二排之间距巷帮500 mm 处，开孔位置需避开锚索、锚杆，间距300 mm 以上，每次施工一组，共计5 个二氧化碳气相压裂钻孔，钻孔直径75 mm。钻孔布置如图2。

图2 压裂钻孔布置示意图

（1）钻孔角度

为方便钻孔施工，设计二氧化碳致裂钻孔平行巷道轴向向老塘方向施工，钻孔仰角为75°。

（2）钻孔深度

二氧化碳压裂主要是破坏巷道顶煤的完整性，使其及时充分垮落，根据巷道顶板煤层厚度，为保证放顶效果，二氧化碳气相压裂钻孔垂直深度不小于顶煤高度，即压裂钻孔深度不小于3.5 m。

（3）钻孔间距

二氧化碳气相压裂技术是利用液态二氧化碳瞬间气化，体积膨胀作用于钻孔孔壁，致使岩体开裂弱化。因此，初步确定二氧化碳气相压裂钻孔间距为1.5 m。

2.2 压裂施工工艺

（1）设置警戒和气体监测

二氧化碳致裂钻孔施工前，在作业地点5 m 范围内设置警戒，严禁非作业人员进入；并由瓦检员对现场的瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等有毒有害气体进行检测。

（2）顶板加强支护

为保证作业地点顶板安全，需加强对作业区域顶板维护：① 挂网防护。在最后一排单体柱老塘侧挂一道全断面防护网（10#铁丝网），网片采用对接方式，联网间距100 mm，采用16#铁丝双丝三扣绑扎牢固，防止压裂后顶板煤体垮落涌入巷道。②加密支护。在E2308 机头或机尾老塘侧最后一排单体柱中间和靠近排头1#架处，加设2 根单体柱。③单体柱戗柱支护。对最后一排单体柱π 型梁打设单体柱戗柱2 根。

（3）压裂钻孔施工

按照钻孔设计参数进行施工。

（4）推进压裂杆和连接杆

钻孔施工完毕后，压裂人员将1 根压裂杆推入孔底，然后依次连接若干根连接杆至巷道底板位置处，连接杆杆底与巷道底板间距使用短接连接，末端用道木顶住，在道木另一侧底部打设1 根单体柱，并保证接顶牢固；将连接杆上拉环与单体柱把手使用铁链连接、拉近。

（5）气相压裂

进行二氧化碳气相压裂按照以下步骤进行：①压裂前，按照警戒示意图拉设警戒线，清除警戒区域人员，严禁人员进入；② 压裂小组人员将压裂杆导线与压裂母线连接，将压裂母线牵引至警戒点处，进行导通试验，确保连接无误；③ 由瓦检员检测现场瓦斯浓度低于0.8%，CO2浓度低于1.5%后将作业点50 m 以内传感器、电话以及压裂母线后移至警戒线外；④ 现场跟班指挥人员下达引发指令后气相压裂作业人员进行远距离作业，引发压裂设备。

（6）压裂器材回收升井

压裂结束后，将压裂杆末端的道木取出，依次取下短接、连接杆和压裂杆，若压裂杆不能正常取出或顶板煤体垮落导致压裂杆被煤体压死，则使用连接杆上铁链拉出。之后将回收的所有压裂器材人工运输至装卸料点，装入压裂器材专用箱后升井。

3 气相压裂效果分析

E2308 工作面在生产过程中，共计26 个区域存在隅角悬顶超10 m2的情况，均采用了二氧化碳气相压裂技术进行放顶。放顶结束后，对隅角悬顶进行观测，工作面割煤移架后，悬顶开始逐步垮落，移架2～4 次后，隅角悬顶能够大范围垮落，悬顶面积明显减小，约5 m2，满足规程要求，降低隅角瓦斯积聚的风险。

4 结论

结合高河能源E2308超长综放工作面实际情况，在工作面两侧隅角悬顶面积超过10 m2区域，采用二氧化碳气相压裂技术对隅角悬顶进行弱化处理，共计处理26 处，并对回采过程中的悬顶垮落情况进行观测。割煤移架后悬顶逐步垮落，移架2～4次后，隅角悬顶能够大范围垮落，降低了隅角瓦斯积聚的风险，保证了工作面安全生产。