大傾角中厚煤層綜采工作面堅硬頂板弱化技術的應用

姚永康 范勇軍 田 苗

(川煤華榮能源股份有限公司花山煤礦)

花山煤礦設計生產能力為180萬t/a，礦井主要采用走向長壁綜合機械化工藝開采，全部垮落法管理頂板。礦井24063工作面頂板為堅硬厚層狀粗砂巖，極難垮落，堅固性系數f≥8，根據長壁工作面礦山壓力顯現規律[1]，這種類型的工作面在開采過程中極易造成頂板大面積懸頂，頂板大面積來壓對支架造成沖擊，對人員造成傷亡，因此，采取弱化頂板、減小基本頂初次來壓步距的方式以達到基本頂安全垮落具有重要意義。

1 24063工作面概況

24063工作面走向最長為172 m，最短為100 m，平均長136 m；切眼長154 m；平均傾角為34°，平均煤層厚2.6 m。該工作面煤層屬復雜結構不穩定煤層，含煤4層，煤層厚度由上至下為0.27，0.36，0.26，0.45 m；含夾矸3層，為泥質粉砂巖，厚度由上至下為0.28，0.71，0.45 m。煤層總厚度為1.34 m，平均采高為2.6 m，偽頂為深灰色薄層狀泥質粉砂巖，厚0.2 m；直接頂為灰色厚層狀粉砂巖，厚3.91 m；基本頂為灰色厚層狀粗砂巖，厚14.93 m；直接底為淺灰色厚層狀粉砂巖，厚3.01 m；基本底為灰白色厚層狀粗粒砂巖，厚11.21 m。該工作面煤層相對瓦斯涌出量為3.5 m3/t，無瓦斯突出傾向；煤塵具有爆炸危險，煤的自然發火期大于12個月。24063工作面及切眼見圖1、圖2。煤層綜合柱狀圖見圖3。

圖1 24063工作面平面

2 頂板弱化技術

24063工作面頂板弱化措施分為兩部分，即切眼頂板拉槽爆破和回風巷頂板深孔爆破。

2.1 炮眼布置及參數

2.1.1 切眼頂板拉槽爆破

切眼長154 m，在切眼內采取“一”字形布置17個炮孔，編號分別為A1～A15、B、C，每個孔與切眼煤壁(反幫)間距為3 m。A1孔起孔位置距運輸巷上幫10 m，A1～A15炮孔間距為10 m，A15、B、C炮孔間距為3 m。切眼頂板拉槽炮眼布置見圖4。

2.1.2 回風巷頂板深孔爆破

在回風巷內布置3組炮孔，組與組間距為10 m，第一組炮孔與工作面切眼煤壁距離為11.5 m。回風巷每組布置9個炮孔，炮孔編號分別為B1、B2、B3、B4、D1、D2、D3、D4、D5。

D1～D5孔在頂板向采空區方向呈扇形布置，每孔間距為500 mm ，D5孔距離回風巷下幫與頂板的交線500 mm，D4、D3、D2、D1依次向上排列，D1～D5投影垂直巷道中心布置成一條直線。

B1、B2、B3、B4成“口”字形布置，B1～B2炮孔從頂板與回風巷下幫交線開始沿傾斜方向按設計角度向下依次布置，每孔間距為500 mm ，B1～B2 、B3～B4與D1～D5水平投影間距均為1 000 mm。回風巷頂板深孔爆破炮眼布置見圖5。

圖2 24063切眼剖面

如果爆破區域頂板冒落效果好，則停止深孔爆破作業；如果爆破后頂板冒落效果不好，則按本措施第二、第三組炮孔規格間距10 m繼續打設炮眼進行深孔爆破作業，直至頂板垮落充填采空區為止。

2.2 打 眼

采用防爆性能良好且有“MA”標志的ZJ-750型鉆機鉆孔， 鉆孔直徑為75 mm。

2.3 裝 藥

裝藥前采用吹風管吹炮孔，將孔內的雜物排凈。制作第一節孔底炸藥，用鋒利的刀片把導爆索切割成需要的長度，將2根導爆索插入到炸藥中，插入的深度不低于200 mm，并用膠帶纏好。距導爆索末端1.5 m處固定雷管位置，并把雷管角線纏繞在導爆索上，用膠帶綁好，雷管的聚能穴朝向炮孔底部。導爆索頭采用高壓膠布包好，防止水進入導爆索內而失效。用炮棍將制作好的孔底炸藥推入至孔底，在推入的過程中拉直導爆索，以防止導爆索在孔內打節。孔底炸藥推入后，再依次用炮棍把其余的炸藥推入到炮孔內，每次推入的總長度不超出2節炸藥，以防止卡孔，一直裝藥到該炮孔設計長度，爆破所用炸藥規格為φ50 mm×500 mm，1 kg/卷。裝完藥后，使用水泡泥和黃土棒封孔，封孔長度不小于孔深1/3，黃土用棒搗實后繼續裝填，直到孔口位置。孔底裝藥見圖6。爆破炮孔參數見表1。

圖3 工作面煤層綜合柱狀圖

2.4 爆破方式

爆破采用“局部并聯，總體串聯”的方式進行連線，一個炮孔內雷管采用并聯方式，孔與孔之間的雷管采用串聯方式，雷管連線見圖7。

在工作面推進5刀(3 m左右)時，對切眼內炮孔進行裝藥、封泥和爆破，切眼一次裝藥，分2次起爆， 第一次起爆A1～A9孔，第二次起爆A10～A15、B、C孔，每次爆破最大起爆藥量不超過180 kg。

回風巷采用先裝藥滯后爆破，即回風巷第一組炮孔的D1～D5距回風巷關門支柱2～4 m時，對回風巷第一組炮孔進行裝藥、封泥，并預留出5～8 m導爆索，當第一組炮孔的B3、B4落后支架1～2 m時，爆破第一組炮孔。回風巷第一組炮孔先同時起爆D1～D5孔，然后起爆B1～B4孔；以此類推，回風巷第二、第三組炮孔分別距尾巷關門支柱2～4 m時裝藥、封泥，落后支架尾部1～2 m時爆破。爆破時瓦斯濃度要求低于0.8%。

3 深孔爆破效果

切眼拉槽炮孔爆破后，直接在井下可以觀測到頂板垮落部分并不多，但在局部采空區頂板形成了寬約1 m、深0.5～1 m的溝槽，未形成溝槽的頂板也產生了明顯的裂隙。

圖4 工作面切眼頂板拉槽炮眼布置示意

回風巷第二組炮孔爆破后，工作面上部采空區巖石冒落高度約5 m，尾巷充填較好。

為便于觀測開采礦壓，自工作面第五架支架起每隔5架安設一臺CDW-60R型支架壓力記錄儀，整個工作面共設置19臺實時監測礦壓數據。通過切眼頂板拉槽爆破及回風巷頂板深孔爆破，工作面初次來壓步距為25 m，來壓強度適中，未造成支架損壞、煤壁大面積片幫、瓦斯超限及人員傷亡現象。工作面支架工作阻力見表2，支架工作阻力曲線見圖8。

圖5 回風巷頂板深孔爆破炮眼布置示意

圖6 孔底裝藥示意

4 結 語

在花山煤礦大傾角中厚煤層堅硬頂板綜采工作面切眼內布置17個炮眼進行深孔爆破拉槽，同時在回風巷布置2組炮眼進行深孔爆破處理，弱化了堅硬頂板，同時運用礦壓監測技術，驗證了弱化效果。

表1 爆破炮孔參數

注：水平角以巷道中心為0°，豎直角以水平線為0°。

圖7 雷管連線示意

支架號左柱/MPa平均初撐力平均工作阻力最大工作阻力右柱/MPa平均初撐力平均工作阻力最大工作阻力5#26.40.628.328.55.830.810#26.028.733.727.110.527.415#20.125.033.420.325.032.920#20.523.331.920.322.231.025#26.027.635.425.88.629.130#27.431.440.927.214.340.535#25.619.934.924.320.930.340#15.011.926.916.220.636.145#27.926.734.027.928.640.550#25.523.130.425.827.737.655#26.734.648.426.532.537.760#11.710.736.211.67.028.265#25.032.042.824.122.546.570#20.828.738.721.534.654.875#27.327.554.727.827.349.180#13.45.724.312.90.022.285#15.62.530.718.127.745.890#24.22.729.726.433.540.895#19.00.329.523.26.135.0

圖8 24063工作面支架工作阻力曲線

該項技術的成功應用縮短了堅硬頂板綜采工作面初壓步距，減弱了來壓強度，杜絕了液壓支架大面積壓壞、瓦斯突然涌出以及煤壁大面積片幫現象，確保了頂板的安全管理和工作面的正常推進，為類似綜采工作面初采初放工作和安全管理工作提供了參考。