漳村礦2105綜放工作面采前頂板預裂實踐淺析

張 安

（山西潞安集團漳村煤礦，山西 長治 046032）

1 工作面概況

漳村礦2105綜放工藝采煤工作面井下位于21采區的南部，東面為21采區大巷，北面為2103工作面采空區，西面為23采區大巷，南面為未采區，距井田南部邊界235m。地面標高為932.8～984.2m，工作面底板標高為682～614m。工作面布置如圖1所示。

該工作面所回采的煤層為厚度變異較小的3#煤，賦存穩定且結構較簡單，平均厚度為6.82m。地質鉆孔資料顯示3#煤直接頂為平均厚3.7m的灰黑色泥巖；老頂為平均厚9.8m的灰色、致密堅硬細粒砂巖。由于該工作面老頂的厚度大，且致密堅硬；同時其他相似條件已采工作面回采期間的礦壓數據顯示，直接頂和老頂的初次跨落步距分別為12m、30m，周期來壓步距較大，約為13m。

圖1 2105工作面布置示意圖

生產實踐經驗表明，頂板巖層較大的初次及周期來壓步距會在采空區形成較大范圍的懸頂，當大面積懸頂突然垮落時，沖擊波會危及工作面設備及人員，同時還會引發工作面瓦斯超限和頂煤回收少，資源浪費等問題[1][2]。因此，回采前應在開切眼內對2105工作面的堅硬厚層頂板巖層進行爆破預裂，弱化其完整性而縮短垮落長度。

2 頂板預裂高度確定及鉆孔窺視分析

2.1 頂板預裂處理高度確定

為了使2105工作面的頂板巖層垮落后堆積形成的矸石填充滿采空區，對更上方未垮巖層形成支撐作用，預裂放頂的最小高度H可按照經驗公式確定[3]：

式中：M為3#煤層的機采高度，初采時因不放頂煤而取3.0m；Kp為頂板煤巖層垮落堆積后的碎脹系數，取 1.25。

將2105工作面的相應參數代入上式計算得出，預裂處理高度最小值為12m時，方能使頂板巖層垮落后堆積形成的矸石填充滿采空區，對更上方未垮巖層形成支撐作用。地質資料顯示，2105工作面開切眼頂板煤巖層從下至上依次為3.82m厚的頂煤、0.9m厚的偽頂炭質泥巖、3.7m厚的直接頂泥巖、9.8m厚的老頂細砂巖。根據煤巖層賦存結構可知，頂板弱化的主要目標巖層是老頂細砂巖。結合理論計算結果，綜合確定預裂放頂的最小高度H為12m[4]。

2.2 預裂前頂板巖層鉆孔窺視

為精準掌握2105工作面開切眼頂板上方煤巖層的內部結構及裂隙發育程度，借助可視化鉆孔探測儀對頂板巖層進行鉆孔可視化成像分析。窺視地點選在開切眼內距風巷內幫8.5m和107m處，2個窺視鉆孔的孔深垂直高度均為12m。

通過可視化成像分析2105工作面開切眼頂板煤巖層內部的結構特征得出：頂板上方的頂煤厚度為3.3m～3.7m，切眼靠風巷側及中部的頂煤裂隙較發育，整體性較差；偽頂為黑色的炭質泥巖，厚度為0.52m～0.8m，內生節理、裂隙比較發育，整體性一般；直接頂為灰黑色的泥巖，厚度為4.28～5m，小構造發育，整體性一般；老頂為厚層灰白色的中砂巖，致密堅硬，整體性較好。

圖2 預裂前頂板可視化窺視成像

3 頂板預裂現場實施及效益分析

3.1 頂板預裂現場實施

根據預裂方案，現場開切眼內共打設爆破鉆孔32個，鉆孔總長度為744m。其中在實際施工中，由于裝藥困難7個炮孔未裝炸藥，裝藥困難的主要原因是鉆孔打出后發生變形，炸藥卷無法進入；其余25個炮孔共裝炸藥754kg，封泥長度212m。

現場頂板預裂使用BF-200型起爆器起爆，分組裝藥、分批爆破，起爆順序從切眼的風巷向皮帶巷方向逐批進行。同一個鉆孔內采用并聯連線方式，而同一批起爆孔之間采用串聯連線方式[5]。

放炮前，依次記錄工作面所有支架的工作阻力，其中前柱的平均工作阻力為6.9MPa；前梁的平均工作阻力為8.4MPa，后柱的平均工作阻力為3.2MPa。放炮后，同樣依次記錄工作面所有支架的工作阻力，其中前柱的平均工作阻力為7.2MPa；前梁的平均工作阻力為8.9MPa；后柱的平均工作阻力為4.5MPa。對比可見，放炮后支架的工作阻力均增大。預裂實施前后工作面支架的工作阻力對比曲線如圖3所示。

圖3 預裂實施前后支架的工作阻力曲線

爆破實施結束等待至CH4和CO濃度回復正常范圍后，在風巷端頭施工一個直徑為50mm、深度為12m的鉆孔，對預裂效果進行可視化窺視分析。部分窺視成像如圖4所示。

圖4 預裂實施后頂板可視化窺視成像

分析窺視成像結果得出，開切眼上方0?3.6m的頂煤被震裂而出現較大的裂縫，局部孔壁破碎嚴重；頂板3.60～4.81m范圍內的黑色泥巖層出現明顯裂紋、破碎；頂板4.81～6.68m范圍內的孔壁出現小碎片和微裂隙，局部出現破碎現象；頂板6.68～9.50m范圍內黑色泥巖出現大裂紋、破碎現象，裂紋連續，孔壁呈碎散狀態；頂板9.50～11.2m的中砂巖范圍出現較大的裂隙，局部出現離層現象；頂板11.2～12.0m范圍內中砂巖出現微小裂隙，局部出現大的裂隙。由上述窺視成像結果綜合判斷，此次爆破達到了預裂頂板的工程實施目的。

3.2 頂煤回收效益分析

由圖1所示的2105工作面布置可知，工作面沿開切眼的傾向長度為195m，3#煤層的總厚度約為6.8m，開切眼上方頂煤的平均厚度為3.5m，3#煤的容重按1.4t/m3、回采率按0.8考慮，則每米工作面的頂煤量為：

1m×3.5m×195m×1.4t/m3×0.8=764.4t

若沒有實施此次頂板預裂，按3#煤其他類似條件工作面頂煤的初次垮落步距約為12m，直接頂和老頂的初次垮落步距分別約為30m和30～40m分析，則工作面在推進30～40m后才能回收頂煤。

采前頂板預裂實施后，若按照提前回收10m頂煤計算，則可多回收的頂煤量為[6]：

10m×764.4=7644t

此次綜放工作面初采前的成功實施，對本礦井其他類似條件的工作面具有一定的推廣、使用價值，同時可以提供經驗及借鑒，具有顯著的社會效益。

4 結 論

回采前通過在開切眼內對2105綜放工作面頂板實施爆破預裂處理，人為干預破壞的頂板巖層的完整性，使其在工作面回采后更容易破碎垮落，極大地縮短頂板的初期垮落長度，避免在采空區內形成大面積的懸頂，同時可多回收頂煤，實現工作面安全、高效生產。