综采工作面坚硬顶板治理方案应用实践

郭 艮

（山西焦煤集团山煤国际长春兴煤业公司，山西 大同 037100）

1 概述

长春兴煤矿602 工作面位于井田南盘区，工作面东部为南延盘区大巷二段，南部为601 采空区，西部为矿井西部矿界及山煤集团韩家洼煤矿，北部为603 备用工作面。602 工作面走向长度为1 750 m，倾向长度为230 m，回采煤层为22#层，煤层厚度为9.5 m，倾角为2°，煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 22#煤层顶底板岩性

602 工作面自切眼推进至94 m 过程中，整体采场矿压显现缓和，仅在80～90 m 推进过程中，位于断层附近的25#～37#支架区域呈现一定的矿压显现，且支架后方可以看到冒落的砂岩，其余区域无明显的矿压显现。截止工作面推进至94 m，后方采空区悬顶面积已超出2 万m2，后方悬顶面积较大，若工作面继续推进，则后方大面积悬顶突然垮落容易导致强烈的矿压显现，且采空区有毒有害气体将涌出，将对工作面安全回采带来较大隐患。

2 工作面顶板岩性分析及影响

2.1 工作面顶板岩性分析

为了进一步探明602 工作面覆岩情况，在602回风顺槽施工了取芯孔，探测顶板垂高40 m 范围内岩层分布。通过取样发现顶板40 m 范围内取芯率较高，部分岩芯长度≥1 m，且从岩性来看，40 m范围内顶板由一层或者几层厚度较大的砂岩构成且完整性较好，602 工作面顶板直接顶比较薄，在0.5～1 m 左右。老顶为巨厚的含砾砂岩，强度较高。因此可以看出602 工作面属于典型的坚硬顶板工作面。

2.2 坚硬顶板对回采影响

（1）来压步距大，极限采空悬顶面积大。坚硬顶板由于自稳能力强，冒落比较困难，通过对601工作面回采现状来看，工作面初次来压步距在110～140 m 之间，最大达160 m，极限采空悬顶面积可达1 万～3 万m2，冒落具有瞬时性并具有空气冲击和顶板冲击双重作用，对工作面的破坏性更为严重[1]。

（2）冒落岩石块度大。由于坚硬顶板整体稳定性强，裂隙发育小，出现冒漏的岩块体积大。通过对601 工作面采空区垮落岩体观察发现，平均垮落岩体长度在6.0 m，最大长度达37 m，大岩块垮落过程中对工作面综采支架损坏严重。同时岩体垮落后采空区空间达不到完全充填，增加了采空区漏风通道数量及宽度，很容易造成采空区自然发火。

（3）冒落高度大。坚硬顶板岩体在回采时很难出现断裂，随着工作面推进，坚硬顶板悬顶面积达到极限时很容易发生整体一次性垮落[2]，冒漏高度在40～80 m 范围内，一次性垮落时产生剧烈的冲击压力严重威胁工作面安全生产。

（4）来压时支架载荷大。由于坚硬顶板承载强度高，正常回采时顶板对支架产生压力小，支架所受载荷小且相对稳定，支架工作阻力处于初撑力状态。但工作面初次来压或周期来压时支架载荷成直线增加，瞬间载荷超过支架额定阻力，造成支架安全阀打开[3]，立柱损坏现象严重。

3 顶板水力预裂施工方案

为了有效缓解602 工作面整体回采期间矿压显现，决定在工作面顺槽采取水力预裂处理坚硬顶板。

3.1 水力预裂钻孔布置

根据矿方施工进度，确定在602 工作面顺槽采用水力压裂方案处理顶板，试验区域为回风顺槽距离切眼248～300 m 区域，基于顺槽的顶板及覆岩情况，共布置三组预裂孔。

（1）第一组距工作面切眼246 m 处开始施工，孔间距6 m，共布置8 个钻孔，钻孔方位角水平角为35°，仰角30°，钻孔深60 m，终孔位置位于煤层上部30 m 砂岩处。

（2）第二组距工作面切眼248 m 处开始施工，孔间距6 m，共布置8 个钻孔，钻孔水平角为0°，仰角30°，钻孔深60 m，终孔位置位于煤层上部30 m 砂岩处。

（3）第三组钻孔布置在煤层中，分别在距工作面切眼250 m、275 m、300 m 处各施工一个钻孔，钻孔水平角为54°，仰角15°，钻孔深度为60 m，终孔位置位于煤层与直接顶交接处，如图1 所示。

图1 602 工作面回风顺槽

3.2 高压注水预裂设备

高压注水预裂设备主要包括钻机、钻头、清水泵、高压送水管、高压注水三段式封孔器等部分组成，具体参数如表2 所示。

表2 高压注水预裂设备具体参数

3.3 水力预裂工艺流程

水力预裂施工是对钻孔区段岩体进行囊袋式封堵，然后对封堵空间内高压注水，在高压水压作用下封孔段岩体出现裂缝。岩体预裂起裂后会造成水压下降，继续注水确保处于稳压状态，在稳压状态下岩体裂缝不断扩张延伸，确保预裂段岩体充分弱化[4]。

（1）采用ZDY-2300LPS 钻机按设计位置进行钻孔施工。钻孔直径为75 mm，钻孔每钻进10 m后及时对钻孔方位角进行调整，钻孔施工时准确测量钻孔深度及方位角确保与设计相符。钻孔施工完后及时采用静压水对孔内煤岩屑进行冲洗，为下一步水力压裂做准备。

（2）钻孔施工完后用注水管将FKSS-69/8 型三段式封孔器推至指定预裂位置，然后打压手动泵向封孔器内高压注水，封孔器注水后在水压作用下膨胀与孔壁紧密贴合，如图2 所示。该封孔器采用自然平衡结构，所以具有承载大、密封性能好等优点。

图2 水力预裂钻孔封孔

（3）钻孔封孔装置、高压水管安装到位后将注水泵出水口与高压胶管用A 型扣压连接方式连接，另一端与注水钢管连接，并采用“O”型圈对连接处进行密封。管路连接到位后对注水泵通电并调试正反转，确保水泵正常运转。

（4）所有注水系统安装到位后对封孔器封堵的封闭环形空间进行高压注水施工。高压注水预裂的注水压力为10～15 MPa；当注水压力达15 MPa时停止加压并随时观察压力表数据，当压力下降为5～10 MPa 时说明封孔段岩体已被预裂，继续保持注水压力为10 MPa，使岩体裂隙继续扩展，从而实现岩体弱化的目的[5]。

3.4 测点布置

工作面支架阻力是表征覆岩破断、采场矿压显现的关键参数之一。为了及时掌握工作面矿压显现规律，在602 工作面布置了支架阻力在线监测系统，可以实现24 小时数据在线连续监测与传输。工作面共布置了13 个观测分站，如图3 所示。分别对应6#、16#、26#、36#、46#、56#、66#、76#、86#、96#、106#、116#及128#等13 架支架。为了对比采场各部分来压情况，将观测分站划分为3 个测区：头部测区（6#、16#、26#、36#）、中部测区（46#、56#、66#、76#、86#）和尾部测区（96#、106#、116#及128#）。在工作面正常生产阶段，由于支架阻力曲线随着上覆岩层破断、运动呈现类似周期性变化，因此，可以通过支架日常工作阻力变化来判断工作面来压情况。

图3 602 工作面支架阻力在线监测系统布置

4 应用效果分析

4.1 预裂后矿压显现情况

2022 年10 月17 日～23 日施工钻孔并进行预裂，10 月24 日开始工作面缓慢推进，工作面不同区域逐步呈现矿压显现，具体表现为：

（1）2022 年10 月12 日～17 日602 工作面停产，整个工作面矿压不明显，压力值为20～25 MPa；10 月17 日19#～34#支架位置顶板来压，压力超过40 MPa，其中19#～22#支架基本无行程，其它支架压力明显上升，但持续时间较短；10 月18 日机头割煤4 刀、机尾割煤2 刀后，工作面整体压力仍保持20～25 MPa。

（2）2022 年10 月25 日早上工作面推进至105 m，19#～36#支架已处于来压状态支架有安全阀开启、立柱下缩现象，局部支架高度为2.8～3.0 m；36#～76#支架后部采空区顶板明显垮落，其中65#～74#支架后方肉眼可见明显的垮落顶板，65#～69#支架后方垮落岩层厚度5 m。

（3）2022 年10 月26 日，55#～76#支架区域顶板来压，支架前后柱压力由30～34 MPa 增加至40 MPa，安全阀开启，采高3～3.2 m；工作面其他区域支架压力稳定，平均压力为25～28 MPa。

4.2 来压规律分析

（1）602 工作面推进94 m，采取顶板水力预裂后，到105 m 时1#～106#支架初次来压明显；机尾侧一般情况下压力为20～25 MPa，来压时116#～128#支架部分压力超过30 MPa，经综合判断工作面推进至110 m 时已完成初次来压，来压持续5 m，动载系数为1.3～1.7。

（2）截至602 工作面推进300 m，工作面共发生10 次周期来压，周期来压步距主要介于17～23 m之间，来压持续长度为3.5～6.5 m，动载系数为1.27～1.43，相比初次来压，周期来压强度降低。

5 结语

通过对602 工作面坚硬顶板采取水力预裂后工作面采场中部顶板实现了分层，达到了局部断裂的目的，破坏了采空区顶板的完整性，避免了工作面后方顶板整体垮落的风险。实施顶板预裂后继续推进10 m，602 工作面开始初次来压，来压步距为工作面初采共推进105 m，持续长度为5 m，来压强度属于正常来压，说明预裂达到了顶板分层分段来压，避免了大面积突然来压的风险，实现了顶板机头先来压、中部再来压、最后机尾部分来压的目的。