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马占新，马亚杰
（1.晋能控股煤业集团有限责任公司 山西 大同 037003；
2.山西大学电力与建筑学院 山西 太原 030006）
在井工煤矿的回采过程中，通常采用全部垮落法管理采空区顶板，初次人工强制放顶过去一般采用爆破放顶［1］，近几年来国内外大都采用水压致裂技术进行人工放顶，但是针对大同矿区石炭系厚煤层无煤柱开采方式下的坚硬顶板的初次来压前的强制放顶，还是空白领域［2］，经过认真研究，认为采用“实时周期立体交叉水压致裂技术”进行老顶初次垮落方面的治理，完全可以实现绿色、安全、快速生产。
同忻北一盘区为C8#层8105切巷地面相对位置位于地面位于后沟与小海沟之间的山坡与沟谷地段，地面标高1 162 m～1 173 m/1 167.5 m，工作面标高为759 m～767 m/763 m，平均埋深404.5 m，区域内无水体及建筑物。井下位于同忻井田东部，西部为8#煤层北一盘区8105 工作面两顺槽，同层其余为实煤区，上覆为同忻矿C3-5#层8104和8105工作面采空区，层间距平均23 m 左右。8105 工作面上下层对照示意图如图1所示。
图1 8105工作面上下层对照示意图
煤层厚度1.0 m～5.7 m，平均3.61 m。煤层倾角1°～3°，平均2°。工作面走向长1 802 m～1 809 m，平均1 805.5 m，倾向长229.5 m。2105 巷从辅运巷口起663 m左右，遇到火成岩墙，厚度约0.1 m～0.3 m。5105巷从辅运巷口起793 m 左右，遇到火成岩墙，厚度约0.1 m。8105工作面回采220 m范围内，煤层顶板发育冲刷带。最大涌水量：1 m3/min，正常涌水量：0.3 m3/min，瓦斯分带为氮气甲烷带，相对涌出量：4.07 m3/t，绝对涌出量：17.12 m3/min。煤尘具有爆炸性，火焰长度＞400 mm，自燃发火期：2.8个月。地温：21.3°。地压：24 MPa。工作面开采方式为无煤柱沿空留巷，采煤方法为走向长壁后退式综合机械化大采高一次采全高，沿空留巷为D型聚能管超前切顶卸压+砌筑高水墙体沿空留巷。C8#层8105工作面综合柱状图如图2所示。
图2 C8#层8105工作面综合柱状图
在工作面初采期，采空区直接顶未垮落之前，切眼内顶板相当于四边固支，通过水压致裂，破坏切眼内顶板的四边固支结构，形成临时简支梁结构，最后直至老顶全部垮落。由于走向长度的固支梁，相对于倾向长度来说很小，通过地应力即实现断裂。因此水压致裂主要破坏的是倾向长度的固支梁，而通过采用实时周期立体交叉水压致裂技术即可实现以上要求［3-4］。
实时周期立体交叉水压致裂技术：第1 次水压致裂为切眼处，之后根据古塘顶板塌落的实际情况，实时进行致裂，并且上次和本次的水压致裂孔采用交叉布置，如：8105面第2次致裂为切眼走向长度(如:8105面为9 m)，之后致裂周期为5 m。同时对两顺槽进行致裂，如：8105面头巷超前70 m水压致裂，尾巷超前70 m采用无煤柱沿空留巷的D型聚能管超前爆破切顶卸压方案布置，从而实现了全方位立体式水压致裂。
3.1 在同忻C8#层北一盘区8105水压致裂方案
（1）主要参数（孔深）的确定
C8#层北一盘区8105工作面切巷位于同忻井田东部，煤层厚度1.1 m～3.8 m，平均厚度2.3 m，巷高3.6 m～5.8 m，平均巷高4.1 m，根据垮落带直接顶和老顶分层碎胀后能填满采空区空间的原则，按照公式［5］：
式中：h：垮落带高度，m；
M：煤层采高，m；
KZ：直接顶和老顶分层的平均岩石碎胀系数。
由于是初采阶段，碎胀系数偏小，取值1.2～1.3，得出水压致裂的高度为采高的3～5 倍，即需要控制12.3 m～20.5 m 的顶板，锚索长度6.3 m，综合考虑直接顶的厚度，与上覆采空区的安全距离，以及压裂施工的可操作性，因此去确定深度为17 m。
（2）次要参数（孔间距、孔径、水压等）的确定
C8#层北一盘区8105工作面是根据同忻矿所用致裂设备型号及致裂效果确定的。
①致裂孔钻机型号：ZLJ850；
钻杆：φ42 mm钻杆，长1.5 m，钻头：φ55 mm；
②致裂泵型号：BZW200/56 注水泵；
水压为30 MPa～50 MPa，平均为43 MPa。
通过综合以上两方面确定了8105 工作面水压致裂方案。
（3）第1次水压致裂方案
在切眼内靠近回采侧煤壁处布置一排钻孔，间距为20 m，共11 个。向工作面前方，与顶板夹角70°，孔口位置距回采侧煤帮偏移0.3 m（距离古塘帮8.8 m），施工深度18 m，垂深17 m，φ55 mm；
在2105巷靠近实体煤侧煤壁处布置一排钻孔，间距为20 m，共4 个；
在5105巷靠近回采帮侧煤壁处布置一排钻孔，按照超前切顶预裂方案确定。具体为钻孔与回采帮距离≤200 mm，倾角85°，φ50 mm，间距800 mm。
（4）第2次水压致裂方案
在工作面靠近回采侧煤壁处布置一排钻孔，间距为10.5 m，共21 个。向工作面后方，与顶板夹角75°，孔口位置距回采侧煤帮偏移2.4 m（距离古塘帮17.8 m），施工深度18 m，垂深17.4 m，孔径φ55 mm；
在2105巷未布孔，因上覆实体煤下，属于应力集中区，可不予布孔；
在5105巷靠近回采帮侧煤壁处布置一排钻孔，按照超前切顶预裂方案确定。具体为钻孔与回采帮距离≤200 mm，倾角85°，φ50 mm，间距800 mm。两次水压致裂平面图如图3 所示，两次水压致裂剖面图如图4所示。
图3 两次水压致裂平面图
图4 两次水压致裂断面图
3.2 在同忻C8#层北一盘区8105水压致裂实际实施：
（1）时间节点
①第一次致裂（切眼预裂）：2021年3月8日～10日完成11个孔预裂，头巷4个孔预裂，11日～13日注水致裂。
②第二次致裂：工作面采至9 m 时，2021 年8 月1日致裂 1 个孔，8 月 2 日致裂 4 个孔，8 月 4 日致裂 7 个孔，其中 5 号孔与 4 号孔沟通，8 月 5 日致裂 8 个孔，共21个孔。
（2）施工方案
①8105 工作面在施工过程中，要提前补打岩性孔，进行顶板岩性窥视，根据窥视孔反映的顶板岩性、厚度变化调整致裂孔的深度，保证孔末端开槽位置位于粗、中、细砂岩中部。
②两顺槽超高段根据实际高度和煤岩层分布情况重新调整致裂孔深度。
③5105巷依照沿空留巷切顶设计预裂顶板。
④采至17.8 m 处水力致裂孔施工后，若直接顶不能垮落，工作面每推进5 m施工一排水力致裂孔，直至顶板垮落。
（3）致裂效果
两次水压致裂后，均在工作面煤壁有水珠和挂汗；
第一次致裂后，在工作面开采时煤尘少，并且在尾部120#～134#支架后古塘顶板出现少许垮落；
第二次致裂后，在工作面开采时，不仅煤层变软，同时在工65#～134#（尾端头）支架后古塘顶板出现大面积垮落，高度为采高的1.5倍，实现了老顶的初次垮落。
通过采用“实时周期立体交叉水压致裂技术”，实现了大同矿区石炭系C8#层初采期悬板的绿色、安全、快速、回采，并且效益显著，如：8105工作面，初次垮落提前35 m(15天)完成，创经济效益约150万元左右。
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