回采面采空区悬顶膨胀致裂切顶卸压技术应用

张洪鹏

（霍州煤电集团晋北能化有限责任公司，山西 静乐 035000）

煤炭作为我国重要的工业原料及基础能源，其产量直接关系着我国能源安全。随着我国对煤矿资源的不断开采，赋存条件较为简单的煤层已经逐渐开采完毕，目前开采的重点逐步向着赋存条件较为复杂的煤层转移。坚硬顶板是指在矿井回采工作面开采过程中，由于煤层顶板岩性较为坚硬，煤层顶板岩层无法随采随落，使得工作面采空区出现大面积悬顶［1-2］。大面积悬顶不仅威胁着矿井的正常生产，同时会造成巷道支护困难［3-4］。为了解决回采工作面采空区坚硬顶板端头大面积悬顶问题，拟以晋北煤业3208工作面为应用背景，对采空区坚硬顶板静态膨胀致裂技术的应用进行初步探讨，为煤矿回采工作面采空区坚硬顶板的大面积悬顶治理进行探索。

23208工作面整体为单斜构造，工作面煤层走向N13°W～N8°E，倾向SW～NW。根据掘进期间实际揭露情况分析，工作面煤层平均倾角25°，平均厚度14.77 m。煤层位于石炭系太原组中下部，稳定可采，结构复杂，含1～3层不稳定夹矸，为1/3焦煤。巷道顶底板情况如表1所示。

表1 巷道顶底板情况

膨胀致裂是一种通过膨胀产生的力破裂岩体的技术。在坚硬顶板上定距离布置钻孔，将膨胀剂填充至钻孔内部，通过水化热反应，使得膨胀剂快速膨胀；
此时由于钻孔内部密闭，使得钻孔内能量快速聚集，当钻孔内部能量大于岩体的抗拉强度极限时，岩石发生破裂，产生裂缝，达到坚硬顶板致裂的目的。

为验证膨胀致裂技术的可行性，拟利用3DEC软件对膨胀致裂技术可行性进行数值模拟分析。建立数值模拟模型，根据23208工作面实际地质情况，建立模型长宽高为200 m×1 m×80 m的模型，重点对长度90～130 m范围内的岩层进行分析，对模型下边界施加垂直方向固定约束，左右边界施加水平方向固定约束。同时根据覆岩容重及埋深确定在模型上边界施加垂直应力4.87 MPa，在模型内部设置监测线，对切顶前后的覆岩运移情况进行对比分析。切顶前、后的覆岩运移云图如图1所示。

图1 切顶前、后的覆岩运移云图

未进行膨胀剂切顶前，如图1所示（a），在工作面煤层回采后，此时在上覆岩层挤压作用下，离工作面较远位置的采空区顶板均已发生垮落，工作面距离较近位置的坚硬顶板未出现垮落现象；
此时直接顶出现较大范围的弯曲，一端形成铰接结构，位于采空区底板的一端形成悬顶，悬臂主要位于100.0～109.2 m范围内，长度为9.2 m。

运用膨胀剂切顶后，如图1所示（b），沿钻孔垮落的顶板高度为4.71 m，形成高度为1.09 m的四个台阶状破断段；
同时巷道顶板出现明显的松动迹象，变化形态较小，对上方岩层起一定的支撑作用，切顶后巷道顶板破碎效果较为明显。

在验证膨胀致裂切顶方案可行性的基础上，将膨胀致裂切顶卸压技术用于工程实践。选定晋北煤业23208工作面进行工业试验段，试验段为倾斜条带形式布置，工作面布置、悬顶位置如图2所示。

图2 工作面布置

23208工作面每天平均推进5个循环，单个循环推进长度为0.6 m，工作面端头位置平均一天产生3 m悬顶。设计施工方案时，需充分考虑预裂对象及切顶预裂自由面情况后再确定钻孔参数。膨胀致裂切顶卸压主要工艺流程如下：①准备阶段，对钻孔参数及材料用量等进行设计，同时准备设备及材料。②施工阶段，对钻孔进行施工，并按比例将材料进行搅拌，注入施工钻孔内。③封孔阶段，对钻孔进行封闭，对钻孔内部情况进行观察。④致裂阶段，对钻孔进行膨胀致裂，完成预裂施工。

工程施工实际采用益凯建材贸易有限公司生产的膨胀剂进行预裂。对回采工作面端头悬顶膨胀致裂切顶卸压钻孔进行设定，钻孔布置间距设定为0.4 m，钻孔的长度为6 m，钻孔倾斜布置，倾斜角度为10°，第一个钻孔布置于距离巷旁0.5 m的位置，钻孔直径设定为60 mm，一共施加6个钻孔，钻孔施工布置如图3所示。

图3 钻孔布置

对膨胀材料进行配置，将膨胀剂倒入水中（比例为3∶1）先行搅拌，然后注入注浆泵中再次搅拌，搅拌膨胀剂浆液均匀直至完全无胶结固块后，开启出浆口。进行注浆施工时注浆软管连接出浆口，注浆软管的长度可以根据注浆的距离进行调节，注浆软管到达注浆点后将注浆软管连接注浆钢管，同时利用螺纹连接封孔器与注浆钢管，将封孔器抵入钻孔口内1 m深度。在整个注浆过程中，浆液流经封孔器时对其进行密封，防止浆液倒流。钻孔注满浆液后，取出注浆钢管，封孔器留置与钻孔中。为了防止膨胀剂出现喷孔现象，用锚固剂进行二次封孔，完成施工过程。

对回采工作面端头支撑压力受力情况进行实时矿压监测，数据整理后得到切顶前后端头支撑压力曲线如图4所示。

图4 工作面端头支撑压力曲线

从图4可以看出，方块标记曲线表示工作面端头顶板未切顶时端头液压支架支撑压力曲线，圆形标记曲线表示膨胀致裂过程中端头液压支架支撑压力变化曲线。在注浆结束7个小时内，两条曲线的变化趋势大致相同，均较为稳定，仅存在一定幅度的波动；
而在7小时后，未实施切顶的端头液压支架支撑压力无明显变化，仍呈现平稳状态，而膨胀致裂切顶后的端头液压支架支撑压力曲线突然下降，支撑压力值从26 MPa快速降低至16 MPa，下降了10 MPa。可以看出，膨胀剂在7个小时后完成充分水化反应，此时钻孔内部能量积累超过顶板抗拉强度，顶板产生裂缝，支撑压力明显下降，切顶效果较为明显，证明该切顶卸压方案可行。

1）利用数值模拟软件对膨胀致裂切顶卸压可行性进行了分析，经切顶卸压后，回采工作面端头悬顶垮落的顶板高度为4.71 m，形成高度为1.09 m的四个台阶状破断段，证明膨胀切顶卸压技术可行。

2）结合实际地质情况，拟定了膨胀致裂切顶卸压技术方案，并制定了主要工艺流程。

3）运用膨胀致裂切顶后，回采工作面端头液压支架支撑压力在7小时后快速下降，支撑压力值从26 MPa快速降低至16 MPa，下降了10 MPa，证明切顶卸压效果良好。