五家溝煤礦5105 工作面堅硬頂板控制技術研究與應用

孫 勇 于智卓

（山西朔州山陰金海洋五家溝煤業有限公司，山西 朔州 036900）

在許多煤礦中，煤層的直接頂或基本頂是高強度堅硬頂板，如果不進行強制放下硬頂，很容易引起大面積來壓等安全隱患。堅硬頂板的弱化頂板處理，不僅可以消除大面積頂板掉落帶來的礦壓隱患，而且可以有效改善工作面巷道的圍巖應力環境，減少巷道變形，方便巷道維護，從而促進礦山安全高效生產[1]。根據5105 工作面頂板實際情況，其頂板強度較大，為保證安全生產，減少頂板垮落帶來的沖擊地壓災害，需提前對頂板進行弱化處理。采用深孔預裂爆破方法弱化頂板，解決了采空區及工作面端面懸頂的問題，實現了安全高效的開采。

1 工程背景

5105工作面地表位于下石井村往南約150 m處，地表多為農田荒山及荒地，地面有廢棄建筑物及民房。5105 工作面位于石井村往南約150 m 處礦南部井田邊界，地表有一季節性河流—大沙溝，大沙溝河流由北向南流過，西部有一條下石井公路橫穿工作面。五家溝礦5105 工作面走向長567 m，傾斜長297 m，面積168 399 m2，如圖1。

圖1 5105 工作面井上下對照圖

5105 工作面煤層結構簡單，平均煤厚7.5 m，綜放開采，有兩層夾矸，夾矸平均厚度0.26 m，巖性以深灰色泥巖、炭質泥巖為主，硬度較小。5105工作面頂底板巖層厚度及其特征見表1。工作面基本頂平均厚度較大，主要由砂巖組成，砂巖致密堅硬，回采過程中不易垮落，易形成大面積懸頂導致煤體壓力增大，當頂板破斷時便會伴隨巨大能量的釋放，容易造成礦壓動力災害。同時采場支架安全閥開啟頻繁，出現液壓支架大面積壓死的情況，有時甚至危及人身安全。為了安全開采，需提前進行防范，對堅硬頂板進行控制處理。

表1 5105 工作面頂底板特征

2 堅硬頂板控制技術研究

2.1 堅硬頂板控制方案選擇

目前主要采用預裂爆破放頂法和注水弱化頂板法[2]。高壓注水壓裂和頂層注水及膨脹劑僅處于實驗階段。爆破弱化已在我國煤炭開采的早期階段采用，早已發展出了多種措施和成熟的技術[3-9]。其中預裂爆破技術由于其操作簡單、成本較低而作為主要技術手段，可作為5105 工作面堅硬頂板弱化處理的方法。目前，爆破強制放頂技術主要有以下兩種：沿切眼頂板爆破強制放頂和沿輔運、主運鉆平行工作面超前深孔爆破放頂。

2.2 頂板深孔預裂爆破方案設計

2.2.1 方案參數設計

（1）爆破循環步距

爆破循環步距應以不影響采場安全開采為目的來布置，所以其取值應小于采場支架可承受的周期來壓步距，而頂板巖性、厚度、裂隙發育程度等因素決定了預裂爆破循環步距。根據5105 工作面頂板巖石力學性質、頂板來壓規律、砂巖強度等，循環步距定為20 m。

（2）放頂高度

只有當矸石墊層厚度大于采高時，來壓時對頂板冒落的緩沖效果最好，同時可減少老頂以下自由空間，不僅可以消除老頂破斷時有可能造成的氣體排除的暴風威脅，還可以減輕來壓時采場支架受載程度。所以，由以下公式計算爆破的放頂有效高度：

式中：M為采高，m；Kp為巖石破碎后的體積膨脹系數，取1.3。

（3）炮眼角度

一般爆破孔角度由兩部分組成：一是側面工作面的水平角度；二是炮眼工作面側的仰角。影響因素有很多：頂板需要采取措施的高度、煤層的傾角、爆破炮眼長度和孔底位置與頂板之間的水平距離。但是如果設計水平角的話，炮眼長度和仰角就必須加大，這樣不僅增加了裝藥的難度，還增加了鉆眼定位難度，且增加水平角對放頂效果影響較小，所以本次采用鉆孔與工作面平行的設計方案。

（4）炮眼長度

首先，需要確定爆破孔在水平方向上的投影長度，即頂板的爆破長度，然后根據投影的水平長度和爆破孔的傾斜度來計算爆破孔的長度。如下式：

式中：L為炮孔長度，m；l為頂板爆破長度，m；β為爆破孔傾斜度，（°）。

（5）炮眼間排距

合理設計爆破寬度（即爆破炮眼的排距），才能確保堅硬頂板能夠達到隨采隨垮的冒落效果。而只有確保爆破后的巖層裂隙能夠相互交錯，形成裂隙網，才能達到預期爆破效果。

目前爆破裂隙圈半徑計算公式較多，其中最常用的公式為：

為了達到預期效果，炮眼排距應小于2 倍的裂隙半徑長度。

2.2.2 爆破方案

（1）沿切眼頂板爆破強制放頂

切眼內放老頂炮孔間距為6 m，炮孔距東側煤幫不大于2 m，孔水平投影平行于切眼。從5105 輔運順槽開始為1 號孔，切眼頂板爆破最大垂深為14.8 m，炮孔仰角45°，端部進行掏槽眼布置，每個分組內設3 個炮孔，采用長短炮孔搭配分組“一”字形的布置方式進行炮孔布置設計。其中從5105主運順槽側開始的45 個“一”字炮孔每組內炮孔長度分別為21 m，5105 輔運順槽側掏槽炮孔組內炮孔長度分別為21 m、12.5 m、4.0 m，兩組炮孔終孔位置間隔2 m，共計51 個炮孔。炮孔布置圖如圖2。

圖2 開切眼炮眼鉆孔布置圖

（2）沿輔運、主運鉆平行工作面超前深孔爆破放頂

除切眼進行爆破外，還必須對平行于切眼的頂板進行爆破，即分別沿輔運、主運鉆平行工作面超前深孔爆破放頂。

主運、輔運的第一組炮孔距離工作面煤壁7 m，主運和輔運第一組炮孔各5 個（主運第一組炮孔為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5；輔運第一組炮孔為F1、F2、F3、F4、F5），組內兩炮孔之間的間距1 m，具體參數見表2，炮眼布置如圖3、圖4。

表2 爆破參數表

圖3 平行工作面且爆破高度為30 m 的炮眼鉆孔布置圖

圖4 鉆孔布置俯視圖

3 應用效果分析

5105 工作面采用煤礦頂板動態在線監測系統，共布置了15 個監測分站，分為上、中、下三個測區。通過工作面支架根據5105 工作面現場實測，未采取頂板處理措施時液壓支架工作阻力情況如圖5。上部測區工作阻力最高可達39.6 MPa，中部測區工作阻力最高可達48.8 MPa，下部測區工作阻力最高可達56.2 MPa，工作面整面工作阻力較高。

在5105 工作面按照設計的深孔預裂爆破方案進行強制放頂以后，工作面工作阻力整體增加，如圖6。上部測區工作阻力最高30.4 MPa，中部測區工作阻力最高26.0 MPa，下部測區工作阻力最高26.4 MPa。

圖5 深孔爆破前測站工作阻力

圖6 深孔爆破后測站工作壓力

現場實測數據顯示，采用預裂爆破堅硬頂板后，工作面來壓不明顯，來壓期間支架工作阻力較預裂前降低約30%，卸壓效果顯著，說明隨著工作面向前推進，工作面上覆的堅硬巖層能夠及時冒落，減少了大面積懸頂現象。當炸藥發生爆破后，頂板堅硬巖層中的發育裂隙會相互交錯，從而形成裂隙網，將不易破斷的頂板層處理成為易掉落的巖層塊體，不僅能夠減少采空區的懸露頂板面積，并能為在工作面上頂板巖層冒落創造有利條件，以便硬頂板可以在工作面推進過后自動破斷、垮落到采空區中。

4 結論

針對5105 工作面堅硬頂板懸空面積較大容易引起動載礦壓、采空區颶風等災害特征，確定采用深孔預裂爆破控制堅硬頂板的方法，并設計了開切眼、兩順槽爆破弱化堅硬頂板的技術參數，順槽預裂工作超前工作面30 ～50 m 進行。應用效果表明，對5105 工作面設計方案現場實施后，現場實測效果顯著，縮短了頂板破斷步距，從而降低了頂板垮落時來壓強度，支架工作阻力顯著降低，保證了5105 綜放工作面生產安全。