溫力川 姚俊彪

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西 河曲 036500）

礦井安全高效開采煤炭資源，是在充分識(shí)別管控各種有害、危險(xiǎn)因素的前提下，優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)與采煤工藝，以少量作業(yè)人員通過(guò)先進(jìn)技術(shù)設(shè)備達(dá)到高產(chǎn)的目的。大采高綜合機(jī)械化放頂煤工作面兩順槽采空區(qū)懸頂不易垮落是困擾磁窯溝礦安全高效回采的常見(jiàn)問(wèn)題之一，工作面推采懸頂不及時(shí)垮落，極大地威脅煤礦人員的生命安全。磁窯溝礦在積極建設(shè)智能化礦山的同時(shí)，借鑒其他礦井先進(jìn)放煤經(jīng)驗(yàn)，不斷精簡(jiǎn)強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員，同時(shí)學(xué)習(xí)應(yīng)用水力壓裂頂板技術(shù)治理懸頂，摸索適合該礦井地質(zhì)條件下放煤工藝技術(shù)。

1 工作面概況

磁窯溝礦為低瓦斯礦井，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)條件中等，自然發(fā)火等級(jí)Ⅱ級(jí)，地層總體產(chǎn)狀平緩呈單斜構(gòu)造，煤層賦存穩(wěn)定[1]?，F(xiàn)開采13 號(hào)煤層，資源儲(chǔ)量豐富[2]。13102 工作面位于13 號(hào)煤層一盤區(qū)西南部，煤層底板標(biāo)高+886～+928 m，煤層傾角2.8°～4.6°，地面標(biāo)高+1022～+1139 m，埋藏深度110.0～188.2 m，松散層厚度9.9～67.3 m，平均厚度38.6 m，基巖厚度97.3～120.9 m，平均厚度109.1 m，煤層厚度約為9.12～11.67 m，平均厚度為10.40 m，總體南厚北薄。13102 綜放工作面頂?shù)装迩闆r如圖1。

圖1 13102 綜放工作面頂?shù)装迩闆r

13102 工作面長(zhǎng)度240 m，推采長(zhǎng)度1580 m，設(shè)計(jì)采高4.2 m，放煤高度6.2 m，采放比為1:1.48，設(shè)計(jì)可采煤量為451.2 萬(wàn)t，采用走向長(zhǎng)壁后退式一次采全層大采高綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝進(jìn)行開采，全部垮落法管理頂板。13102 綜放工作面布置如圖2。

圖2 13102 綜放工作面布置

2 初次放頂水力壓裂設(shè)計(jì)

2.1 施工思路

磁窯溝礦13102 工作面推采后采用全部垮落法管理頂板[3]，工作面基本頂以細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和粗粒砂巖為主，頂板巖層厚度大且整體性強(qiáng)，節(jié)理裂隙發(fā)育不高，有穩(wěn)定的自承能力，加之巷道掘進(jìn)過(guò)程中配套支護(hù)強(qiáng)度大，初采階段，13102 工作面推采后采空區(qū)懸露頂板無(wú)法隨工作面推進(jìn)發(fā)生斷裂垮落。隨采空區(qū)懸露頂板面積和高度的不斷增大，一次垮落后會(huì)造成強(qiáng)烈的初次來(lái)壓影響，危及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員人身安全，對(duì)支護(hù)設(shè)備造成破壞，給工作面的頂板和通風(fēng)管理帶來(lái)隱患。

綜放面初采時(shí)，為解決工作面推采后采空區(qū)頂板大范圍懸露問(wèn)題，多數(shù)礦井會(huì)對(duì)采空區(qū)懸空頂板實(shí)施有計(jì)劃的強(qiáng)制放頂[4]。爆破是最常規(guī)的手段，但爆破強(qiáng)制放頂鉆孔、裝藥工程量大，施工危險(xiǎn)程度極高，往往一次性引爆的炸藥量大，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)震動(dòng)，對(duì)工作面支架造成沖擊，對(duì)人員安全構(gòu)成威脅，大量有害有毒氣體還會(huì)在爆炸瞬間形成，污染井下環(huán)境，干擾正規(guī)循環(huán)回采工序，嚴(yán)重影響綜放工作面正常推采進(jìn)度。同時(shí)，實(shí)施爆破強(qiáng)制放頂效果受布孔形式、鉆孔深度、裝藥量大小等因素影響，需要現(xiàn)場(chǎng)不斷嘗試尋找最佳爆破參數(shù)才能取得良好效果，這給工作面頂板管控帶來(lái)難度與隱患。

水力壓裂弱化頂板屬于主動(dòng)對(duì)頂板進(jìn)行管控，堅(jiān)硬頂板可被有效弱化且其完整性被破壞，頂板的強(qiáng)度和整體性被削弱后能夠不斷分層最后垮落，縮短初次來(lái)壓和周期來(lái)壓步距，達(dá)到減小采空區(qū)懸空頂板大范圍垮落對(duì)工作面回采危害的目的，對(duì)有效管控礦井綜放工作面懸空頂板具有重大意義。

2.2 水力壓裂頂板原理

通過(guò)在13102 切眼段鉆孔，使水流在高壓驅(qū)動(dòng)下擠入煤層原有的裂隙內(nèi)，擴(kuò)寬伸展原有裂隙，讓次生裂隙不斷產(chǎn)生。在煤巖層不斷被壓裂、軟化的過(guò)程中，頂板的整體性和強(qiáng)度被削弱后能夠分層冒落，有效縮短初次、周期來(lái)壓步距，消除大面積垮落頂板對(duì)工作面作業(yè)人員及設(shè)備的危害。

2.3 水力壓裂頂板特點(diǎn)

1）13102 綜放工作面采用大采高綜合機(jī)械化放頂煤工藝回采[5]，推進(jìn)速度快，水力壓裂頂板工藝簡(jiǎn)單、施工速度快，可利用綜采檢修時(shí)間進(jìn)行施工作業(yè)。

2）水力壓裂頂板在削弱頂板強(qiáng)度和整體性的同時(shí)，在工作面推進(jìn)過(guò)程中不會(huì)對(duì)頂板穩(wěn)定性造成影響，工作面頂板處于可控狀態(tài)。

3）水力壓裂頂板與炸藥爆破頂板相比，屬于主動(dòng)超前管控頂板，安全高效，工程量小，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度降低，作業(yè)速度大大提高。

4）水力壓裂頂板技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行致裂過(guò)程中，持續(xù)性地產(chǎn)生裂隙及擴(kuò)大裂隙，對(duì)頂板的有效垮落起到關(guān)鍵作用。

2.4 設(shè)備配置

1）壓裂鉆孔采用2300LPS 型煤礦鉆機(jī)，功率45 kW，鉆頭Φ60 mm，配套Φ50 mm×1500 mm地質(zhì)鉆桿，嚴(yán)格按照13102 切眼段水力預(yù)裂設(shè)計(jì)施工鉆孔。

2）封孔采用Φ48 mm 封隔器，高壓樹脂細(xì)管緩慢加壓后，使封隔器膠筒膨脹，達(dá)到封孔要求。

3）壓裂段加壓采用HSA9032A-95/60Y 型高壓注水泵，功率為90 kW，流量為5.7 m3/h，額定壓力為60 MPa。

4）水壓監(jiān)測(cè)儀采用KG-337 采集儀，將流量、壓力實(shí)時(shí)變化曲線通過(guò)計(jì)算機(jī)處理計(jì)算后得出相應(yīng)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2.5 水力壓裂頂板工藝

水力壓裂工藝主要包括頂板鉆孔、壓裂孔封孔、高壓水壓裂、保壓注水等工序。

2.5.1 頂板鉆孔

13102 工作面水壓致裂鉆孔布置位置分別在進(jìn)風(fēng)順槽、切眼及回風(fēng)順槽。13102 工作面水壓致裂鉆孔布置見(jiàn)表1，13102 工作面水壓致裂鉆孔布置平面圖如圖3。

表1 13102 工作面水壓致裂鉆孔布置

2.5.2 壓裂孔封孔

封孔時(shí)施工人員通過(guò)將橡膠封孔器推至預(yù)裂縫處，開泵加壓后，具有自平衡結(jié)構(gòu)的封孔器橡膠管發(fā)生膨脹，緊緊撐緊孔壁，封孔壓力為12～16 MPa，試壓時(shí)加壓到2～5 MPa 檢查密封情況，水流在高壓作用下使煤巖預(yù)裂縫不斷起裂并擴(kuò)展，使頂板分層弱化。

2.5.3 高壓水壓裂

高壓水壓裂通過(guò)高壓膠管、注水鋼管、壓裂鋼管進(jìn)行煤巖預(yù)裂。為使切眼段頂板處于可控狀態(tài)，初期預(yù)裂參數(shù)較為保守，單孔預(yù)裂7～11 次，每段壓裂3 m，孔底1 m 不壓裂，自孔底開始每3 m 一段向孔口方向壓裂。施工人員依據(jù)壓力變化情況判斷每段預(yù)裂時(shí)間，通常不低于16 min。25～30 MPa 為單個(gè)鉆孔最大起裂壓力范圍，當(dāng)鉆孔壓力低于10 MPa或巷道頂板出現(xiàn)涌水加大時(shí)，立即停止注水工作。

2.5.4 效果監(jiān)測(cè)

通過(guò)在預(yù)裂孔的外圍布置一些觀測(cè)孔可以監(jiān)測(cè)水力壓裂效果。預(yù)裂過(guò)程中發(fā)現(xiàn)觀測(cè)孔有水冒出時(shí)，施工人員可以初步判斷本次壓裂的大致范圍，壓裂后煤巖裂紋的方向可通過(guò)窺視儀觀測(cè)；頂板水壓裂高度決定煤巖壓裂效果的好壞，水力壓裂保壓持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響軟化效果，具體保壓注入水量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而定。13102 工作面水力壓裂弱化頂板工藝流程示意如圖4。

圖4 13102 工作面水力壓裂弱化頂板工藝流程示意

3 正常推采放煤工藝優(yōu)化

3.1 放煤步距優(yōu)化

放煤步距作為大采高綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝[6]放煤效果的重要參數(shù)之一，在放頂煤嘗試階段需要重點(diǎn)考慮。13102 綜放工作面進(jìn)入正常回采階段后，將放煤步距分組調(diào)整為0.4 m、0.6 m、0.8 m進(jìn)行推采。當(dāng)放煤步距為0.4 m 時(shí)，相等推進(jìn)范圍內(nèi)增加了支架對(duì)頂板的升降次數(shù)，破碎效果明顯，有利于頂煤放出，但采空區(qū)破碎頂板矸石容易混入放煤口。由于煤機(jī)單循環(huán)進(jìn)刀淺，循環(huán)數(shù)增加，導(dǎo)致推采進(jìn)度緩慢。當(dāng)放煤步距為0.8 m 時(shí)，相等推進(jìn)范圍內(nèi)減少了支架對(duì)頂板的升降次數(shù)，放出的煤大塊比較多，經(jīng)常出現(xiàn)后溜堵死、后溜頭卸料口卡住大塊煤矸等現(xiàn)象，采空區(qū)側(cè)留有三角煤放不出來(lái)，造成大量丟煤[7]。根據(jù)13102 綜放工作面的設(shè)備選型及頂板條件，當(dāng)放煤步距為0.6 m 時(shí)，生產(chǎn)期間能有效地減小塊度，并在相等推進(jìn)范圍內(nèi)保證支架對(duì)頂板的升降次數(shù)，破碎效果明顯，有利于頂煤放出，放煤效果最佳。

3.2 放煤方式優(yōu)化

綜放工作面常用的放煤方法[8]有順序放煤和間隔放煤兩種，順序放煤又分為單輪順序放煤和多輪順序放煤。單輪順序放煤操作簡(jiǎn)單，容易掌握，具有較快的放煤速度，適用于頂煤厚度小于8 m，也可使用雙放煤口進(jìn)行放煤，提高放煤能力。多輪順序放煤時(shí)，原始的煤巖分界面能均勻地下降，主要缺點(diǎn)是每個(gè)放煤口必須打開多次才能將頂煤放完，每次均勻放出頂煤的1/2 或1/3，操作上難以把握。若每輪放煤不均勻，煤巖分界面下降就不均勻，這樣會(huì)增加混矸。間隔放煤現(xiàn)場(chǎng)主要為單輪間隔放煤，間隔一架或多臺(tái)支架，打開一個(gè)放煤口，每個(gè)放煤口一次放完，增大了放煤間隔，避免了鄰架竄矸。

一段濃縮機(jī)實(shí)質(zhì)上起到水力分級(jí)作用，應(yīng)該盡可能多地將大于0.045 mm粒級(jí)沉淀下來(lái)，并保證底流中小于0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率小于40%，為沉降過(guò)濾式離心脫水機(jī)創(chuàng)造必要的工藝條件。該設(shè)備的入料、底流、溢流的粒度組成見(jiàn)表2，以此計(jì)算出各粒級(jí)在底流中的分配率，并繪制出分配曲線(見(jiàn)圖2)，該廠的一段濃縮機(jī)工藝指標(biāo)見(jiàn)表3。

13102 綜放工作面放頂煤初期[9]，采取的放煤方式為“雙輪間隔兩口”方式放煤，一刀一放?；夭善陂g發(fā)現(xiàn)單輪放煤時(shí)間長(zhǎng)，煤機(jī)需停機(jī)等待放煤工全部放完煤后才能開始割下一刀煤，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，不利于提高工作面單產(chǎn)，對(duì)回采產(chǎn)量影響較大。后對(duì)放煤工藝進(jìn)行了調(diào)整，采用了“單輪順序兩口”方式放煤，工作面回采效率提高，但是存在鄰架竄矸，局部出現(xiàn)丟煤的現(xiàn)象。繼續(xù)對(duì)放煤工藝進(jìn)行調(diào)整，采用“單輪間隔”方式放煤，一刀一放，配備2個(gè)放煤工，第一個(gè)放煤工滯后移架2個(gè)支架放單號(hào)，第二個(gè)放煤工滯后第一個(gè)放煤工4 個(gè)支架放雙號(hào)。為確保正規(guī)循環(huán)放煤作業(yè)及確保頂板可控，放煤時(shí)要求做到“見(jiàn)矸關(guān)窗”。帶班班長(zhǎng)或跟班隊(duì)長(zhǎng)為放煤工長(zhǎng)，跟后檢查、補(bǔ)放。選用單輪間隔方式放煤能夠有效地減少鄰架竄矸的現(xiàn)象，杜絕了大量矸石混入煤流之中誤認(rèn)為煤已放完的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)也能夠防止因?qū)⒚悍鸥蓛魧?dǎo)致大量矸石放出造成頂板破碎范圍超前，出現(xiàn)頂板破碎、漏頂事故的發(fā)生。

3.3 放煤支架優(yōu)化

13102 綜放工作面長(zhǎng)240 m，共計(jì)布置141 臺(tái)支架，其中運(yùn)輸順槽側(cè)布置端頭支架1 臺(tái)、機(jī)頭排頭架3 臺(tái)、機(jī)尾排頭架4 臺(tái)、機(jī)頭機(jī)尾過(guò)渡架分別布置2 臺(tái)、中部架129 臺(tái)。13102 綜放工作面頂煤損失分為初采損失、末采損失、上下端頭損失和放煤損失。目前工作面機(jī)頭機(jī)尾過(guò)渡支架具備了放頂煤功能，過(guò)渡架的放煤最大程度地減少了上下端頭的放煤損失，而且能夠有效地促進(jìn)兩端頭的頂板垮落，較少懸頂面積超標(biāo)的現(xiàn)象。根據(jù)該礦頂板巖性情況及順槽支護(hù)情況，在同等條件下的綜放工作面，確定對(duì)過(guò)渡范圍進(jìn)行放煤具有可行性。

4 特殊區(qū)域放煤現(xiàn)場(chǎng)管控

4.1 頂板壓力小，頂煤難放時(shí)管控措施

當(dāng)上覆蓋巖層厚度變小，工作面壓力顯現(xiàn)不明顯時(shí)，生產(chǎn)期間頂煤自然垮落不及時(shí)，會(huì)出現(xiàn)頂煤難放的情況。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取措施[10]如下：

1）改變放煤方式，由單架放煤改為每2 架或3 架同時(shí)收后尾梁，并且反復(fù)收打尾梁，對(duì)頂板造成破壞，使頂煤垮落。

2）縮短放煤步距，將放煤步距由0.6 m 調(diào)整為0.4 m，生產(chǎn)期間將支架升到最緊，并通過(guò)反復(fù)升降支架破壞頂板完整性。

3）增大工作面采高，將工作面采高由4.0 m調(diào)高至4.2～4.4 m，通過(guò)增大采高調(diào)整頂板下沉量，促進(jìn)頂板垮落。

4.2 工作面過(guò)地質(zhì)構(gòu)造管控措施

13102 工作面兩順槽共計(jì)揭露10 處斷層構(gòu)造，其中回風(fēng)順槽距切眼95 m 處揭露2.4 m 正斷層，距切眼435 m 處揭露1.3 m 正斷層，距切眼497 m 處揭露0.9 m 正斷層，距切眼956 m 處揭露1.4 m 正斷層，距切眼1009 m 處揭露2.9 m 正斷層，距切眼1055 m 處揭露2.5 m 正斷層，距切眼1090 m 處揭露1.7 m 正斷層；進(jìn)風(fēng)順槽距切眼908 m 處揭露2.0 m 正斷層，距切眼1040 m 處揭露2.8 m 正斷層。針對(duì)順槽揭露的斷層構(gòu)造，采取措施如下：

2）對(duì)兩順槽頂板及兩幫的圍巖變形情況進(jìn)行定期觀測(cè)，做好頂板離層儀和錨桿、錨索壓力表數(shù)據(jù)分析工作。

3）做好馬麗散儲(chǔ)備工作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況隨時(shí)停機(jī)準(zhǔn)備注馬麗散（原則上在檢修班注漿）。

4）日?；夭善陂g對(duì)頂板破碎區(qū)域采取拉超前支架方式控制頂板，適當(dāng)降低回采高度，采取快速推進(jìn)方式通過(guò)構(gòu)造區(qū)域。

5）做好支架日常維護(hù)檢修工作，保證工作面支架初撐力達(dá)標(biāo)，支架頂梁接頂嚴(yán)實(shí)，護(hù)幫板支護(hù)到位。

4.3 工作面上竄下移管控措施

13102 綜放工作面機(jī)頭機(jī)尾底板高差范圍為16～20 m，在正常推采過(guò)程中工作面極易發(fā)生上竄下移，導(dǎo)致前溜端卸部壓住端頭架底座、卸料口堵死影響機(jī)頭轉(zhuǎn)載機(jī)推移或支架、前溜電機(jī)底座擠幫上墻、安全出口不暢情況發(fā)生。針對(duì)上述問(wèn)題，采取措施如下：

1）調(diào)整工作面兩端頭進(jìn)尺，使用調(diào)斜控制法控制前溜竄動(dòng)方向，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況靈活調(diào)整頭尾進(jìn)尺，同時(shí)將前溜端卸部卡住端頭架底座。

2）采用單向推溜、頂架子等方式進(jìn)行上竄下移調(diào)整，防止發(fā)生倒架、擠咬架情況發(fā)生。

3）保證兩端頭10 架范圍內(nèi)底板過(guò)渡平緩，尤其是頭尾過(guò)渡段掃底次數(shù)不得少于2 次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況增加掃底次數(shù)，保證將過(guò)渡段底煤掃干凈。

4）利用相鄰支架側(cè)護(hù)板頂前移支架[11]的方式調(diào)整支架形態(tài)，將支架調(diào)正。同時(shí)，為防止因拉架距離過(guò)長(zhǎng)，造成拉后溜大鏈拉拽支架底座造成支架傾斜，拉架距離不宜過(guò)大。

5）生產(chǎn)期間必須觀察好上竄下移跡象，每刀測(cè)量端卸部到轉(zhuǎn)載機(jī)擋煤板的距離，確保在0.7～1.1 m 范圍，每刀測(cè)量端卸部到副幫的距離，確保在2.7～3.6 m 之間，生產(chǎn)期間需同時(shí)滿足二者條件。出現(xiàn)支架歪斜時(shí)必須及時(shí)利用鄰架側(cè)護(hù)板調(diào)整支架形態(tài)，防止因支架歪斜造成上竄下移幅度過(guò)大影響正常生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1）綜放工作面圈定后，在切眼段施工鉆孔進(jìn)行水力壓裂弱化頂板。工作面推采開始后，頂板的強(qiáng)度和整體性被削弱后能夠不斷分層冒落。經(jīng)對(duì)比，13101 工作面初次來(lái)壓步距80 m，13102 工作面初次來(lái)壓步距為56 m。水力壓裂弱化頂板縮短了來(lái)壓步距，消除了采空區(qū)大面積懸空頂板對(duì)人機(jī)的危害，對(duì)提升礦井頂板管理水平、提高工作面初采回收率具有重大意義，作為礦井初采頂板管控的一種有效手段值得沿用。

2）綜放工作面在確定放煤支架及放煤步距后，放煤方式的選擇是決定工作面回采率[12]高低的重要因素。簡(jiǎn)化放煤操作，方便放煤工實(shí)行，注重放煤方式理論設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的緊密結(jié)合，將理論設(shè)計(jì)嚴(yán)格貫徹到實(shí)踐中去，實(shí)踐結(jié)果作為完善理論設(shè)計(jì)的必要途徑。同時(shí)需保證割煤和放煤平行作業(yè)，減少相互影響，實(shí)踐中防止出現(xiàn)壓溜、斷鏈、射鏈等事故。

3）綜放工作面在推采過(guò)程中，隨上覆蓋巖層厚度的變化、特殊地質(zhì)構(gòu)造的出現(xiàn)、機(jī)頭機(jī)尾底板高差的變化，會(huì)對(duì)采空區(qū)頂煤冒落、順槽頂板管控、機(jī)頭機(jī)尾安全出口的距離產(chǎn)生重要影響，做好提前預(yù)判與人員應(yīng)對(duì)措施的實(shí)施，能夠?qū)⒉焕斆夯厥找蛩氐挠绊懡档偷娇煽爻潭?，為綜放工作面的正常回采提供安全保障。