綜采工作面厚硬頂板弱化技術(shù)研究

李金錄

（汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè)，山西 靈石 031302）

引言

當(dāng)開采煤層頂板為堅硬厚巖層時，采面回采期間礦壓顯現(xiàn)顯著，容易導(dǎo)致采面異常來壓或者瓦斯異常涌出等情況，給煤炭安全高效回采帶來影響[1-2]。現(xiàn)階段礦井對于厚堅硬頂板處理技術(shù)包括有采空區(qū)充填、高強度液壓支架、頂板弱化等[3-5]。采空區(qū)充填是通過充填物給堅硬頂板一定支撐，使其僅彎曲變形而不出現(xiàn)垮落，從而降低礦壓顯現(xiàn)程度；高強度液壓支架是液壓支架給頂板足夠的支撐力，可抵抗頂板垮落時產(chǎn)生的動載荷影響，確保采面回采安全；頂板弱化是采用水力壓裂、深孔爆破等，避免頂板大面積垮落[6-8]。以51303 綜采工作面回采為例，針對開采的13#煤層堅硬厚頂板、礦壓顯現(xiàn)顯著等問題，提出用深孔爆破方式對頂板進行弱化，本文對頂板弱化技術(shù)實施情況進行分析。

1 51303 綜采工作面概況

51303 綜采工作面回采的13# 煤層厚度3.6 m，賦存穩(wěn)定，埋深平均450 m，走向、傾向長度分別為890 m、125 m。采面整體位于一區(qū)域單斜構(gòu)造背面，煤層傾角均值11°。13#煤層偽頂局部缺失，偽頂厚度0.2 m，直接頂厚度2.9 m 砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚度9.9 m 砂巖，具體煤層頂?shù)装鍘r性見圖1。

圖1 煤層頂?shù)装逯鶢顖D

為掌握煤層頂板參數(shù)，在采面回采巷道內(nèi)布置鉆孔對頂板進行取樣，具體測定結(jié)果見表1。13#煤層直接頂抗壓強度31 MPa、基本頂抗壓強度53 MPa，結(jié)合相關(guān)理論研究成果計算得到采面回采時初期來壓步距可達(dá)到53 m，若采空區(qū)頂板突然垮落會導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)劇烈、瓦斯異常涌出等，因此需要采取適當(dāng)措施對頂板進行弱化。

表1 13#煤頂板巖性參數(shù)

2 堅硬頂板弱化技術(shù)實施

2.1 鉆孔布置

2.1.1 切眼鉆孔布置

在采面切眼內(nèi)布置2 類深孔預(yù)裂爆破鉆孔，鉆孔分別布置在切眼頂板距離兩幫1 m 位置。根據(jù)采面切頂煤層賦存以及頂板巖性情況，在切頂頂板位置處基本頂厚度約為11.35 m，設(shè)計的爆破弱化鉆孔孔深均為10 m；爆破鉆孔7 個為一組，組內(nèi)鉆孔間距1.6 m；組間鉆孔間距為5.0 m，鉆孔孔徑50 mm。孔布置如下頁圖2 所示。

圖2 切眼內(nèi)頂板弱化鉆孔布置示意圖

2.1.2 運輸巷鉆孔布置

由于回風(fēng)巷靠近已回采完畢的51301 采空區(qū)，靠近采空區(qū)側(cè)頂板已基本垮落，為此爆破鉆孔僅在采面運輸巷內(nèi)布置。在運輸巷內(nèi)距離煤柱幫1.0 m 位置向頂板施工爆破鉆孔，孔深12 m，鉆孔垂直頂板布置。巷道內(nèi)爆破鉆孔間距均為1.8 m、鉆孔孔徑50 mm。具體如下頁圖3 所示。

圖3 運輸巷內(nèi)頂板弱化鉆孔布置示意圖

2.2 頂板弱化工藝及參數(shù)

2.2.1 鉆孔裝藥量

鉆孔裝藥量會直接影響深孔預(yù)裂爆破弱化效果，具體裝藥量可通過下述經(jīng)驗公式（1）確定。

式中：M 為單個爆破鉆孔裝藥量，kg；A 為裝藥常數(shù)；β1、β2、β3為指數(shù)；α 為弱化頂板抗壓強度。

依據(jù)現(xiàn)場實際情況，頂板弱化深度按照10 m 進行計算，則鉆孔內(nèi)裝藥量應(yīng)控制在2.35 kg 以上，即單個鉆孔內(nèi)藥卷裝入量為10 卷。

2.2.2 裝藥工藝

切眼以及運輸巷內(nèi)布置的爆破鉆孔封孔長度為5.4 m，裝藥長度控制在6.6 m 以上，采用不耦合裝藥方式，單節(jié)裝藥長度控制在2.2 m。裝藥載體為Φ40 mm 雙縫預(yù)裂管。采用Φ40 mm PVC 管作為藥卷載體向孔內(nèi)下放藥卷。由于鉆孔內(nèi)下方的藥卷數(shù)量較大，爆破時產(chǎn)生的能量較高，為此封孔時需特別注意，應(yīng)確保炮泥封堵緊實、嚴(yán)密。

3 現(xiàn)場頂板弱化效果分析

為考察切頂以及運輸巷內(nèi)施工的爆破鉆孔對堅硬頂板弱化效果，頂板弱化前后采用鉆孔窺視儀（型號YTJ20）對頂板裂隙擴展情況進行考察。具體頂板弱化前后情況如圖4、圖5 所示。從圖4、圖5 中看出，在對頂板堅硬巖層弱化前，鉆孔孔壁光滑、裂隙不發(fā)育，是由于煤層基本頂強度大、膠結(jié)性好等導(dǎo)致；對煤層頂板弱化后，鉆孔孔壁均出現(xiàn)變形且發(fā)育貫通裂隙，表明頂板弱化效果較好。

圖4 弱化前鉆孔窺視圖

圖5 弱化后鉆孔窺視圖

51303 綜采工作面頂板弱化采面初次來壓、周期來壓步距分別為31 m、13 m～19 m，來壓期間采面液壓支架工作阻力為4 300 kN，采面來壓顯現(xiàn)不明顯，液壓支架安全閥均未開啟，采面煤壁始終保持穩(wěn)定。51301 綜采工作面為51303 綜采工作面鄰近采面，兩個工作面地質(zhì)條件、頂板條件較為相似，51301 綜采工作面采面初次來壓、周期來壓步距分別為53 m、18 m～24 m，來壓期間煤壁出現(xiàn)一定程度片幫情況，采面液壓支架工作阻力為6 500 kN，部分液壓支架出現(xiàn)安全閥開啟情況，同時采空區(qū)瓦斯涌出有所增加。通過上述分析得出，對51303 綜采工作面頂板堅硬巖層進行弱化后，采面初次來壓及周期來壓步距等均有所降低，同時礦壓顯現(xiàn)不明顯，不會給采面回采帶來影響。

4 結(jié)論

1）51303 綜采工作面直接頂為厚度較大且較為堅硬的砂巖，若不對頂板進行弱化，則采面來壓期間容易礦壓顯現(xiàn)明顯，煤壁出現(xiàn)一定片幫情況且采空區(qū)瓦斯涌出有所增加，給采面安全回采帶來一定制約。

2）提出采用深孔爆破方式對頂板進行弱化，具體在切眼以及運輸巷內(nèi)頂板施工鉆孔，降低堅硬頂板完整性以及強度。依據(jù)現(xiàn)場情況，對深孔爆破鉆孔布置方案以及頂板弱化工藝等進行分析，并進行工程應(yīng)用。

3）現(xiàn)場應(yīng)用后，煤層上覆堅硬頂板裂隙發(fā)育，巖層完整性以及強度等均有所降低；采面初次來壓及周期來壓步距均降低至31 m、13 m～19 m，來壓顯現(xiàn)不明顯，液壓支架以及煤壁等均保持穩(wěn)定，表明現(xiàn)場采用的堅硬頂板弱化技術(shù)取得較好成果。