柳巷煤矿厚煤层综放开采顶煤超前预裂注水技术

柳巷煤矿厚煤层综放开采顶煤超前预裂注水技术摘要：柳巷煤矿煤层厚度10.5?m，煤层节理裂隙不发育，完整性好。

采用综放工艺一次采全高，工作面回采时易形成大范围悬顶，初次来压时期易造成冲击荷载及飓风等问题，为实现安全高效综放开采，对顶煤弱化，提高顶煤破碎度，必须采取措施弱化顶板。

关键词：综放弱化顶煤
1 工作面的概况
30101工作面开采延安组3号煤，水文地质条件简单，该面采用走向长壁综采放顶煤回采工艺，全部垮落法管理顶板，该面老顶为灰白色块状粗粒长石砂岩，平均厚度21?m。

直接顶为深灰色厚层状泥岩，平均厚度4.6?m。

工作面倾向长141.5?m，可采走向长度1354?m。

2 预裂工艺及方法
为加快顶煤跨落，需进行预裂弱化顶板。

工作面液压支架安装完毕后，利用锚索钻机在支架间进行打眼，封孔后注入高压水进行多孔线性控制水力致裂，并使用特殊钻头在孔底开楔形槽，利用预制裂缝钻孔进行楔形环槽定向水力预裂，其技术关键在于深孔内的楔形环槽，在一个钻孔能开多个槽，实现多个定向水压裂缝同时扩展。

另外工作面每推进5?m，在靠近煤壁处垂直顶板向上打一排钻孔进行多孔线性控制水力预裂。

理论垮落带高度12.7?m，煤岩层中顶煤厚度6.7?m，泥岩直接顶4.6?m。

钻孔布置于顶中。

2.1 钻孔布置
①初次弱化钻孔布置
在开切眼处布置两排钻孔，Φ35?mm左右。

钻孔间距确定：支架宽度1.75?m，得间距1.75?m。

同时回风巷和运输巷内钻孔间距初步定为0.5?m。

钻孔深度确定：碎胀系数保守取1.3，计算得所需控制岩层厚度为12.7?m，锚索钻机最大钻孔长度12?m，综上定为深度12?m，倾角90?°，垂直于顶煤向上施工。

②回采期间钻孔布置
钻孔直径：利用Φ32?mm的锚索钻机施工，完毕后钻孔直径约35?mm。

钻孔间距为1.75?m，可适当调整。

钻孔倾角和深度的确定：因锚索钻机最大打孔深度12?m，顶煤厚度6.7?m，则初步确定钻孔深度10?m，倾角45?°，工作面每割8刀煤（6.4?m）打一次钻孔。

钻孔深度、倾角和排距可适当调整。

③措施巷内施工钻孔布置
在措施巷内钻孔，需超前工作面进行。

所以初步确定超前工作面
100～150?m以上施工。

措施巷底板与顺槽顶板垂直距离2.9?m，两条措施巷之间的水平距离80?m，措施巷与顺槽之间水平距离30?m。

得1#钻孔长度40?m，倾角0°，2#钻孔长度17?m，倾角17?°，3#钻孔长度9?m，倾角22°，4#钻孔长度20?m，倾角0?°。

此倾角均在垂直于工作面推进方向的平面内，沿工作面推进方向的竖直平面内倾角全部为90?°。

钻孔采用直径42?mm的钻机，排距为10?m，可以适当调整。

为防止高压水对回风巷和措施巷的破坏，4#钻孔距离巷道留5～10?m的保护距离，定为5?m，可适当调整。

所有钻孔不打入机采煤层中，防止回采时出现煤壁片帮(图1）。

2.2 封孔
封孔方式确定：采用高压膨胀胶管封孔器封孔。

孔壁直径比封孔器直径大约5～10?mm。

按注水压力选择封孔器型号及钻孔大小选择封孔器直径。

封孔长度确定：钻孔深度12?m，封孔深度不小于2?m，封孔段有效长度不小于1?m。

2.3 水力致裂设备
钻机采用锚索机，钻头采用Φ32?mm的钻头。

注水泵采用矿用乳化液泵。

封孔采用相应直径的橡胶封孔器封孔。

3 采空区的顶板控制
3.1 综放开采坚硬顶板需控岩层确定
在距离煤层上部平均16?m处有一层厚度达21?m的砂岩岩层。

在回采过程中，极有可能出现老顶垮落不及时造成大面积悬空，在大面积老顶突然垮落时导致冲击矿压的产生。

为了防止这类事故的产生，通过水力致裂对坚硬难冒落老顶进行弱化，人工放顶保证生产的安全进行。

综放顶煤的破碎冒落过程中，支架顶梁上方及掩护梁后方的破碎顶煤和直接顶对老顶的破断运动起到一定的缓冲作用，在支架后方能
起到垫层作用，只要及时冒落的直接顶和破断垮落的老顶充填采空区的高度大于每层的厚度，坚硬顶板的破断运动就不会对工作面支架围岩关系造成大的影响。

基于此原理需控制顶板岩层厚度为
式中，h——?控制顶板厚度；
M——?煤层厚度，10.5?m；
H——?机采煤层厚度，3.8?m；
Η——?顶煤放出率，平均取80％。

Kz——?顶煤、顶板碎胀系数，取1.5。

基于此原理，得出需要保证顶板5.7范围内岩层致裂。

3.2 根据分析，将采取下面的方案
①钻孔布置
在措施巷顶板内打扇形钻孔，为确保安全，超前工作面面煤壁100?m以上进行。

1#措施巷钻孔长度为36?m，倾角为9°，2#钻孔长度18?m，倾角19°，3#钻孔长度6?m，倾角90?°，4#钻孔长度26?m，倾角13°。

钻
孔排距长度初步确定为10?m，可适当调整。

②水力致裂设备
打孔深度需31～48?m，钻机尽量采用矿上现有的钻机，钻头采用Φ42?mm的钻头。

注水泵采用矿用高压注水泵，压力不小于56?MPa，注水流量不小于33.3?L/min，水力致裂时间不宜超过30?min。

封孔采用相应直径的橡胶封孔器封孔。

4 效果分析
水力致裂试验过程中，试回采初期，顶煤垮落表现不稳定。

发现工作面从切眼推过20?m后，顶煤才从13#～37#架后位置开始断裂跨落；平均推进24?m后，在19#～67#架位置顶煤跨落，推进到顶煤软化控制区后，顶煤体的损伤比注水前增加了0.23～0.37。

顶煤垮落块度基本控制在0.5?m以下。

可见，煤层水力致裂软化后，取得了预期效果。

参考文献
[1] 邓广哲.煤体致裂软化理论与应用[M]．陕西科学技术出版社，2003.
[2] 王晓泉.水力压裂技术现状及发展展望[M]．钻采工艺，1998:18-32.。