白洞煤矿综采端头大面积悬顶致裂技术研究

马丽洁，殷帅峰，左安家，郑鑫健，李 昊

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

工作面端头是指工作面与轨道巷、运输巷相连接的地方，综采端头大面积悬顶是指悬顶面积超过2m×5m或几倍以上[1]。悬顶形成的原因有两种：一是因为工作面顶板为石灰岩、砂岩等坚硬岩石，这种岩石厚度大、节理裂隙不发育，煤层开采后，难以垮落，形成悬顶[1-2]；二是因为如今的锚杆锚索支护方式加强了顶板的强度，导致顶板难以及时落下，给井下安全生产带来威胁[3]。当综采端头悬顶达到一定距离时，很容易导致大面积来压，上下隅角瓦斯积聚，若此时顶板垮落，积聚的瓦斯和有害空气将瞬间涌出，形成飓风和冲击压，严重威胁井下工作人员和设备的安全[4]。因此，坚硬顶板致裂问题已经成为不可忽视的问题。

如今用于坚硬顶板致裂的技术主要有三种：水力压裂、预裂爆破、CO2致裂。但是这三种技术都有一定的弊端。水力压裂是在工作面回采前，利用高压水，在钻孔内分段封隔分段压裂，破坏顶板的完整性[5]。它被广泛用来致裂顶板，但是效率不高，耗水量大，且效果难以人为控制，排水困难[6-7]；预裂爆破利用炸药通过深孔预爆破弱化顶板，是效果最好的一种，但是成本高，具有极大的危险隐患[8-9]；CO2致裂技术用高压泵预先在专用储液管注入液态二氧化碳，使用过程中接通电流，瞬间产生高温使得储液管内的二氧化碳迅速从液态转化为气态，从而产生体积膨胀产生膨胀压力使顶板破裂，但这种方法只适用于完整性很强的顶板，不具有普遍性[10]。针对以上问题，我们引进一种新的材料来对坚硬顶板进行致裂使其垮落。相对于其他顶板致裂的方法，使用静态膨胀剂致裂顶板不仅成本低、效果好，而且安全系数高。因此，我们使用静态膨胀剂对大同矿区白洞煤矿坚硬顶板进行致裂。

1 工程概况

白洞煤矿属于山西同煤集团，目前开采煤层为石炭系5#煤层，煤层总厚度10.11～13.04 m，纯煤厚平均9.75 m。煤层中含3-8层夹矸，单层厚度0.1～0.6 m，岩性为炭质泥岩、泥岩；煤层顶板多为泥岩、砂砾岩，砂岩为中硬-坚硬岩，泥质岩类多属于软岩层，顶板单轴抗压强度为46.749 MPa，单轴抗拉强度为7.486 MPa，岩体结构为薄层状结构。

8119工作面位于石炭系5#煤层301盘区南部右翼。施工地点位于8119工作面，位于301盘区南部，930水平，地面标高1266 m～1488 m，工作面标高937 m～949 m，走向长度1724 m，倾斜长度121 m，无冲击地压。煤层厚度为9.75 m，采高3.2 m，放煤厚度6.55 m，面积192040 m2，煤容重1.46 t/m3，可采系数为1，煤层变异系数为25.2%，属于稳定煤层，工作面煤层总厚为3.65～11.81 m，煤层普遍有3-8层夹石，夹石厚度为0.10～0.30 m，局部达到0.70 m，夹石断断续续，不稳定。煤种为气煤，煤岩类型为暗淡型，工作面区域内基本无变化。目前，现场临近工作面已经回采完毕，8119工作面也已经接近推进完毕，因此，拟将试验点选择F1断层前100 m处，现场位置如图1所示，8119工作面岩层性质如图2所示。

图1 工作面位置

图2 工作面岩层柱状图

2 静态膨胀剂破岩机理

静态膨胀剂主要成分为氧化钙，与水混合后发生水合反应生成氢氧化钙。氢氧化钙的固相体积比氧化钙的固相体积大97.92%。此外，当固相体积增大时，反应产物固相体积与分子内部空隙体积增量之和超过反应前后材料系统的空间，导致反应前后材料体积增大，产生膨胀压力[11-13]。

静态膨胀剂用水搅拌均匀后，填充到顶板的钻孔中，最初生成凝胶状Ca(OH)2。随着时间的延长，逐渐形成不定型的各向异性Ca(OH)2晶体颗粒，其体积膨胀两倍。膨胀过程中产生膨胀压力并逐渐增大，通常可达30～40 MPa[14]。静态膨胀剂产生的膨胀压力作用于孔壁后，孔介质单元体受到径向压应力和切向拉应力的作用，这种应力状态导致岩石破裂。该应力状态如图3所示。

图3 孔介质单元体受力状态图

若A点受到的膨胀压力σγ增大，其受到的拉应力σθ也要增大；当σθ达到破碎体的最大抗拉强度时，A点处就会产生径向裂纹；随着σγ的不断增大，径向裂纹也在不断增大、加深，直至被破碎体破碎[15]。

3 施工方案

3.1 钻孔布置

合理的钻孔直径是避免钻孔发生冲孔现象的重要参数，间排距的布置方式可以优化顶板致裂效果，根据理论分析、实验室实验和工程实际，设计钻孔参数如下，如图4、5所示，巷道顶板一排布置5个钻孔，间距800 mm，排距1800 mm，靠近保护煤柱最外侧钻孔沿巷道方向等间距900 m布置一列，整体呈现“T”分布。如图4、5所示，钻孔直径Φ为70 mm，孔深18 m，与巷道顶板法线方向夹角为30°，水平夹角60°，倾向采空区一侧。

图4 钻孔布置俯视图

图5 钻孔布置侧视图

3.2 注浆

(1) 工艺流程

设计5119巷施工方案时，根据顶板的实际地质条件确定所需的钻孔参数、钻孔分布和操作工序，需要在预裂的区段提前做好打孔工作，工序流程如图6所示。

图6 工艺流程图

(2) 钻孔注浆工艺

① 设备选择

本次设备我们选择煤矿用气动注浆泵套装，它由注浆泵、气动搅拌器、搅拌桶三部分组成。现有(ZBQ-12/2.5，ZBQ-27/1.5，ZBQ-35/1.0)等多种型号。主要用于矿山、隧道、水利、地铁、建筑、桥梁的施工。用于注浆堵水、填缝、碎岩注浆加固、锚索注浆；用于路基、路基注浆、软基处理等局部缺陷修补；消除地下抗洪抢险隐患。灌浆泵体积小，重量轻，使用可靠。适用于易燃易爆、温湿度变化较大的场所。注浆泵的工作条件为：环境温度：0～45℃；相对湿度不超过95%(在25°C时)；甲烷和空气混合的煤矿；施工场合：煤矿瓦斯钻孔封堵、工作面冒顶充填、快速砌筑封闭墙等。灌浆泵的结构特点和工作原理如下：气动注浆泵主要由注浆泵体、气动搅拌器、搅拌筒等组成。注浆泵的工作原理：压缩空气为动力源，由于筒体与注浆筒体的面积比较大，因此小气压可使灌浆泵产生较大的灌浆压力。

② 设备连接

根据图7所示，封孔段位于顶煤部分，钻孔成孔后，封孔阶段需预先埋设1根注浆管，1根返浆管，返浆管置于孔底，用来判断钻孔膨胀剂浆液是否注满孔底。

图7 钻孔注浆示意图

(3) 注浆步骤

① 按实验室测得的静态膨胀剂与水重量比为10∶3的最优配比(将膨胀剂倒入水中，顺序不可逆)，用机械或手工(用手搅拌要戴橡胶手套)搅拌成具有流动性的均匀流体，一定要保证膨胀剂浆液完全溶解到水中。

② 打开注浆泵，开始注浆，搅拌后的流体必须在10 min内充填在孔内，超过10 min后，其流动性及破碎效果明显降低。

③ 当返浆管有浆液流出时，表明钻孔已经基本注满，停止注浆，对返浆管进行密封。

④ 注浆结束后，打开水管控制阀向注浆搅拌机内注清水搅拌清洗，将清洗的废液通过注浆钢管排至采空区，之后将注浆搅拌机移至巷道宽敞处放好。

4 效果分析

8119工作面顶板注浆后数小时内出现明显的裂隙声。随着工作面继续推进，巷道顶煤开始逐渐冒落。随着自由面的增加，顶板的坍塌速度加快，在膨胀压力的作用下，顶板砂砾岩逐渐开始破碎和坍塌。在又前进了一天之后，所测试区域几乎完全垮落。白洞煤矿综采工作面大面积悬顶区采用静态膨胀剂，使顶板基本完全坍塌。与以前的悬顶距离相比，缩短了悬顶距离，达到了预期效果。该方法消除了综采面大面积悬顶，完全避免了悬顶引起的瓦斯积聚和顶板大面积垮落。为确保煤矿安全生产，实现这些煤矿大规模连续高强度安全开采，提高煤矿生产和安全生产水平具有重要的现实意义，同时作为静态膨胀剂在煤矿中的应用实践经验，完善了综采大面积悬顶区无爆破破碎技术，对于类似条件的矿山安全开采具有重要的指导作用，具有现实意义。

5 结论

(1) 针对白洞煤矿综采端头大面积悬顶区顶板坚硬难以垮落问题，提出用静态膨胀剂代替以往的爆破和水力压裂等方法致裂顶板，有效解决了白洞煤矿8119工作面综采端头大面积悬顶致裂问题，保障了煤矿安全。

(2) 结合8119工作面实际情况，决定使用静态膨胀剂处理综采端头大面积悬顶，分析悬顶形成原因和静态膨胀剂的破岩机理，确定了工艺流程和施工方案，并对顶板致裂效果进行了观察，结果表明，静态膨胀剂作为一种新的处理坚硬顶板的新技术，具有安全、无污染、经济成本低等优点，可以有效缩短悬顶距离，可被广泛应用于类似条件的矿井。