大采高厚層堅硬石灰?guī)r頂板弱化技術(shù)

陳瑞華

(陽煤集團(tuán)開元煤礦，山西 壽陽 045400)

我國煤層賦存條件復(fù)雜，屬于堅硬頂板的煤層約占1/3。大采高綜采工作面堅硬頂板的長時間懸頂達(dá)到一定極限時，極易造成大面積的頂板垮落，甚至伴隨著井下颶風(fēng)等動力災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著礦井的安全高效開采。因此，必須采取科學(xué)合理的技術(shù)措施，改變頂板垮落性能，促使其增加弱面，使此類頂板在較小的面積和較短時間內(nèi)垮落［1－4］。本文選取游仙山煤礦厚層堅硬石灰?guī)r頂板大采高首采工作面為研究對象，研究此類頂板條件下的大采高綜采工作面頂板弱化技術(shù)。

1 工程概況

游仙山煤礦主采15#煤層，煤層厚度3.8 m，頂板為K2石灰?guī)r巖層，厚度 2.63～8.15 m，平均厚度5.39 m，其上為9.8 m 的泥巖，底板為 1.7 m 泥巖。試驗工作面15016為首采工作面，切眼長150 m，綜合機(jī)械化開采一次采全高。試驗工作面附近鉆孔頂板取樣測試結(jié)果見表1。由表1表明，該石灰?guī)r層屬于硬－堅硬巖層，按頂板分類，屬IVb級頂板，在不采取弱化措施的條件下來壓顯現(xiàn)非常強(qiáng)烈。

為此，結(jié)合相鄰礦井龍頂山煤礦在開采15#煤層過程中，出現(xiàn)的石灰?guī)r頂板大面積懸頂?shù)膶嶋H情況，提出游仙山15016首采工作面的頂板弱化技術(shù)，即開切眼內(nèi)“深孔爆破拉槽弱化頂板”和超前工作面“深孔爆破預(yù)裂頂板”的方法。

表1 頂板巖石力學(xué)性能測試結(jié)果表 MPa

2 深孔爆破拉槽弱化頂板關(guān)鍵參數(shù)確定

首采工作面開切眼內(nèi)深孔爆破拉槽弱化頂板的目的在于減少初次來壓步距，從而控制工作面懸頂距離。下面結(jié)合理論計算對頂板弱化基本幾何參數(shù)和爆破參數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計。

2.1 頂板弱化基本幾何參數(shù)選擇

為保證15#煤層頂板弱化垮落后能充填滿采空區(qū)，弱化垮落所需的頂板高度由式(1)計算:

在采高M(jìn)取3.8 m，碎脹系數(shù)Kp取1.33的條件下，能充填滿采空區(qū)所需的頂板高度Δh為11.5 m，由于石灰?guī)r頂板之上的泥巖垮落情況不能確定，開切眼內(nèi)弱化頂板按最不利條件考慮，11.5 m用作頂板弱化的高度參數(shù)。

2.2 頂板弱化爆破關(guān)鍵參數(shù)選擇

根據(jù)礦井瓦斯條件，選用DY1200S(MK－4)型全液壓坑道鉆機(jī)鉆眼，2號煤礦許用乳化炸藥為爆破孔裝藥，藥卷規(guī)格為 d60 mm ×500 mm，1.5 kg/卷。工作面推進(jìn)2～4個截深，即推進(jìn)1.2～2.4 m后進(jìn)行裝藥、聯(lián)線和爆破。

1)爆破孔直徑。

爆破孔直徑較大時，封孔效果不好，容易出現(xiàn)“打槍”現(xiàn)象或嚴(yán)重破壞巷道。當(dāng)爆破孔較小時，壓碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑較小，不能達(dá)到理想的爆破效果。根據(jù)已有的工程實踐經(jīng)驗，深孔爆破孔直徑一般在60～80 mm。15#煤層15106首采工作面K2石灰?guī)r頂板爆破弱化擬采用直徑75 mm的爆破孔。

2)爆破孔長度。

工作面長度越大，所需爆破的巖層厚度越大，爆破孔應(yīng)越長。此外，爆破孔的長度受施工影響和限制，爆破孔長度較大，特別是超過50 m后，鉆孔、裝藥和封孔都比較困難。從現(xiàn)場應(yīng)用考慮，在滿足安全和正常生產(chǎn)的前提下，應(yīng)盡可能減少爆破孔長度。因此，15106首采工作面K2石灰?guī)r頂板爆破孔長度不宜超過50 m。

3)封孔長度。

為保證爆破效果和安全，封孔長度應(yīng)為爆破孔長度的20%～30%，爆破孔長度小于20 m時取大值;爆破孔長度大于20 m時可取小值，但封孔最小長度不能小于4 m。

4)爆破鉆孔布置。

為更好地保證工作面切眼的爆破效果，對爆破鉆孔的布置參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，見表2和圖1。工作面液壓支架設(shè)備安裝前，在距開切眼后幫1 m平距位置處，沿開切全長在頂板標(biāo)定弱化頂板的爆破鉆孔孔口位置，150 m長的切眼共布置10組26個爆破鉆孔，分別用 A(a)、B(b)、C(c)、D(d)和 E(e)表示，A(a)、B(b)、C(c)每組布置3個爆破鉆孔，D(d)和E(e)每組布置2個爆破鉆孔。E2鉆孔與e2鉆孔孔口投影平距為22 m，孔底投影平距為3 m。A1鉆孔與a1鉆孔孔口從工作面煤壁最外端投影位置開始。

表2 頂板鉆孔布置及爆破參數(shù)表

圖1 15106工作面開切眼弱化頂板鉆孔布置示意圖

3 深孔爆破預(yù)裂頂板關(guān)鍵參數(shù)確定

在工作面初次弱化后，需要采取工作面超前預(yù)裂技術(shù)進(jìn)一步弱化頂板結(jié)構(gòu)，調(diào)整其力學(xué)性能，進(jìn)而從根本上減小工作面頂板的周期來壓步距。根據(jù)15106工作面實際情況，提出超前工作面較小步距和較大步距預(yù)裂頂板的技術(shù)方案，并對其關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

超前工作面兩巷鉆場硐室布置見圖2，工作面兩側(cè)兩巷中各鉆場硐室對稱布置，鉆場硐室按寬4 m、深3 m或4 m沿頂板布置。較小步距按15 m設(shè)計，實施兩次，與工作面開切眼內(nèi)爆破配合，以確保工作面頂板較早地初次充分垮落。較大步距按30 m設(shè)計，直至工作面停采線，以確保工作面頂板周期來壓步距≤30 m。

圖2 超前工作面深孔爆破預(yù)裂頂板步距設(shè)計圖

3.1 較小步距預(yù)裂頂板爆破鉆孔布置及爆破參數(shù)

每個鉆場分別布置切斷工作面推進(jìn)方向上頂板相互聯(lián)接的鉆孔和切斷工作面與兩巷上部頂板相互聯(lián)接的鉆孔，前者平行工作面布置，后者與兩巷延伸軸線夾小角度布置，見表3，鉆場鉆孔布置立體示意圖見圖3。

表3 較小步距預(yù)裂頂板鉆孔布置及爆破參數(shù)表

較小步距預(yù)裂頂板鉆場硐室內(nèi)分別布置8個炮孔，分別為 A、B、C、D、E、F、G、H，其中 A、B、C、D、E平行工作面扇形布置;F、G、H與工作面兩巷延伸中心線成16°夾角扇形布置，且孔底全部布置在石灰?guī)r中。

圖3 較小步距超前工作面弱化頂板鉆孔布置示意圖

3.2 較大步距預(yù)裂頂板爆破鉆孔布置及爆破參數(shù)

兩次超前工作面較小步距預(yù)裂頂板后，一般情況下頂板已初次垮落，但兩巷中仍需要不斷的超前工作面進(jìn)行深孔爆破，以預(yù)裂頂板，只是預(yù)裂頂板的步距從15 m加大到30 m，鉆場硐室空間尺寸、鉆場內(nèi)爆破鉆孔數(shù)量、爆破鉆孔孔口位置同較小步距爆破時參數(shù)的選取。平行工作面布置，用來切斷工作面推進(jìn)方向上頂板與頂板連接的A、B、C、D和E爆破鉆孔，其長度、角度、裝藥量及全部參數(shù)同較小步距。較大步距情況下不同的是用來切斷工作面頂板與巷道一側(cè)頂板之間連接的F、G和H。鉆孔隨步距加大后的相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 較大步距預(yù)裂頂板鉆孔布置及爆破參數(shù)表

4 結(jié)論

采用開切眼內(nèi)“深孔爆破拉槽弱化頂板”配合超前工作面“深孔爆破預(yù)裂頂板”的技術(shù)后，15106工作面推進(jìn)22 m時直接頂成功初次跨落，周期來壓步距控制在20～25 m，工作面冒落狀況良好。工程實踐表明，該技術(shù)方案有效地實現(xiàn)了大采高堅硬石灰?guī)r頂板條件下首采工作面的安全高效生產(chǎn)，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

［1］趙紅超，張東升，劉洪林，等.構(gòu)造應(yīng)力場中巷道圍巖穩(wěn)定機(jī)理研究［J］.煤礦開采，2014，35(1):93－95，101.

［2］宋振騏.實用礦山壓力控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988:65－66.

［3］錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1991:81－83.

［4］靳鐘銘，徐林生.煤礦堅硬頂板控制［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1994:112－113.