堅硬頂板處理技術在王臺鋪煤礦的應用

堅硬頂板處理技術在王臺鋪煤礦的應用

王臺鋪煤礦儲土范圍內(nèi)的15#煤層位于太原組底部。整體賦值相對穩(wěn)定。埋深133.230m，厚0.80.5.27m。直接頂為K2石灰?guī)r,厚7.42～10.99m,平均厚9.32m,致密堅硬,節(jié)理裂隙較發(fā)育,在井田內(nèi)該巖層特別穩(wěn)定,單向抗壓強度平均127.57MPa,單向抗拉強度平均7.56MPa;抗剪強度平均16.11MPa,屬于典型的堅硬難垮落頂板。開采過程中,頂板大面積來壓時對支架有沖擊,且初次來壓和周期來壓步距較大,礦壓顯現(xiàn)十分明顯,需對該堅硬頂板進行預處理才能保證綜放工作面的安全回采。堅硬頂板的處理方法有超前深孔預裂爆破弱化頂板法、定向水力壓裂法、注水軟化頂板法、強力支護切頂法等,根據(jù)該礦的實際條件,先后采用了深孔預裂爆破法和定向水力壓裂法對頂板進行處理。1超深孔預裂爆炸法1.1炮孔放頂孔布置王臺鋪煤礦15#煤層綜采工作面初始采用超前深孔預裂爆破的方式處理頂板。相應的處理方案分為2個部分:切眼切斷和工作面兩巷初次放頂及步距放頂。切眼切斷孔布置在工作面后方距采空區(qū)側(cè)巷幫1m處,180m長的切眼共布置10組32個炮孔(爆破總裝藥量為921kg)。在切眼掘好后、支架沒有安裝前進行打孔,在工作面推進3～4刀即1.8～2.4m后進行裝藥和爆破。其主要作用是實現(xiàn)采空區(qū)頂板與工作面頂板之間的切斷。綜采工作面切眼炮眼布置如圖1所示。初次放頂孔布置在距切眼工作面?zhèn)让罕?4m處,步距放頂每隔30m在兩巷各對稱布置8個炮孔(爆破總裝藥量為858kg)。炮孔起爆時孔底與工作面煤壁距離應大于40m(初次放頂炮孔除外),初次放頂炮孔爆破時與工作面煤壁距離應大于5m。其主要作用有2方面:①實現(xiàn)巷道煤柱側(cè)頂板與工作面頂板間的切斷;②實現(xiàn)對工作面頂板的分段切斷,使支架后方頂板能夠及時垮落。綜采工作面初次及步距放頂炮眼布置如圖2所示。1.2工作面懸頂分布近年來,通過對綜采工作面的礦壓觀測,測得工作面的基本頂初次垮落步距平均為38.3m?；卷斨芷谛钥迓洳骄嘧畲笾禐?1.7m,最小值9.1m,平均13.7m。測得工作面超前支承壓力的影響范圍為20m左右。隨著工作面推進,距工作面煤壁平均9.78m處應力相對達到峰值。工作面超前支護范圍內(nèi)無底鼓和片幫情況,巷道完好,頂板無離層現(xiàn)象?；夭蛇^程中,工作面支架后方間斷性有懸頂現(xiàn)象,懸頂長度一般在1～3m,最長4m左右。工作面中部支架后方較少出現(xiàn)懸頂現(xiàn)象,一般隨著拉架直接頂能夠及時垮落。工作面機頭、機尾后方采空區(qū)三角區(qū)懸頂在5～8m,懸頂面積隨工作面的推進逐漸增大、垮落,但始終保持在3～10m。由于該礦部分綜采工作面埋深較淺,地面相應位置距村莊較近,預裂爆破導致的震動會對地面建筑及周圍環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。因此,需對頂板處理方法進行改進。2定向水流壓裂法2.1板的控制指標定向水力壓裂技術是指在鉆孔壓裂段預制裂縫,從而控制水力壓裂裂紋擴展方向。對堅硬頂板的控制主要表現(xiàn)在壓裂和軟化2個方面:①削弱頂板的強度和整體性,使采空區(qū)頂板能夠分層分次垮落;②縮短初次來壓和周期來壓步距,達到減小或消除堅硬難垮頂板對工作面回采危害的目的。該礦在XV2307綜采工作面進行了定向水力壓裂法處理堅硬頂板的試驗研究。2.2特開槽鉆頭開槽頂板定向水力壓裂鉆孔布置在綜采工作面兩巷,為單孔對稱布置,鉆孔長度為50m,孔間距為30m,鉆孔仰角為10°(確保壓裂區(qū)距煤層5m以上),鉆孔水平投影與巷道夾角為70°(鉆孔方向朝工作面采空區(qū)),孔徑56mm。設計分別在9,18,27,36,45m處使用特制開槽鉆頭開槽。定向水力壓裂技術的施工工藝:普通鉆頭鉆孔→KZ54開槽鉆頭開槽→窺視儀觀察開槽效果→鉆孔結(jié)束→沖刷鉆孔準備壓裂→安裝封孔器→用高壓膠管連接手動泵、儲能器和封孔器→安裝、調(diào)試高壓水泵→封孔器推送至預定位置(預裂縫處)→手動泵加壓封孔器封孔→距離壓裂孔80m處拉警戒,清理人員→啟動高壓水泵加壓→預裂縫開裂,水泵壓力表壓力突然下降→保壓注水擴展裂紋→監(jiān)測孔同時冒出大量水,停止加壓,壓裂結(jié)束→用窺視儀觀察壓裂效果。2.3初次塌落步距通過對XV2307綜采工作面進行礦壓觀測,并對支架工作阻力數(shù)據(jù)分析后,得出結(jié)論:實測基本頂初次垮落步距平均27.47m;基本頂周期性垮落步距最大18.2m,最小10.2m,平均13.57m。深孔預裂爆破與定向水力壓裂礦壓觀測數(shù)據(jù)見表1。3定向水力壓裂試驗由表1可知,深孔預裂爆破與定向水力壓裂的基本頂初次來壓步距差別較大,最大值分別為38.3,28.6m,定向水力壓裂比深孔預裂爆破更加有效地縮短了綜采工作面頂板初次來壓的步距,減小了采空區(qū)懸頂面積,能更加有效地解決綜采工作面初次垮落的問題。除基本頂初次來壓步距外,其他各項指標均很接近,說明定向水力壓裂控制頂板的效果是積極有效的,在該礦的試驗是成功的。深孔預裂爆破與定向水力壓裂對比見表2。4定向水力