堅(jiān)硬頂板雙重預(yù)裂技術(shù)的應(yīng)用

郭 皞

（晉城煤業(yè)集團(tuán)安監(jiān)局，山西 晉城 048000）

定向水力壓裂技術(shù)是較常用的一種安全高效處理堅(jiān)硬頂板的技術(shù)方法，鳳凰山礦通過(guò)定向水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用，將15#煤綜采工作面頂板初次垮落步距控制在20～30m左右，有效防止了頂板瞬間大面積垮落形成沖擊波。但15#煤綜采工作面初采期間采空區(qū)漏風(fēng)大，工作面過(guò)風(fēng)量小，工作面煤塵、瓦斯不能及時(shí)隨風(fēng)流稀釋并帶走，易造成工作面內(nèi)瓦斯超限、煤塵濃度超標(biāo)。以XV1308工作面為例，介紹雙重預(yù)裂技術(shù)的應(yīng)用及效果，為相似條件的礦井應(yīng)用此方法提供借鑒。

1 概況

XV1308工作面采用傾斜長(zhǎng)壁綜采采煤法進(jìn)行回采，工作面長(zhǎng)度為 176m，可采長(zhǎng)度1163m，為滿(mǎn)足進(jìn)架條件，切眼設(shè)計(jì)寬度為7m，高度為2.6m。工作面煤層傾角0～15°，平均3°，屬近水平煤層，煤層厚度平均2.25m，變異系數(shù)為 30%，可采指數(shù)1。圖1所示為XV1308綜采工作面綜合柱狀圖，該工作面無(wú)偽頂，直接頂為 K2石灰?guī)r，平均9.26m，深灰色，致密堅(jiān)硬，穩(wěn)定性好，含動(dòng)物化石及方解石脈，局部有平均0.32m厚的泥巖，屬于典型的堅(jiān)硬難垮落頂板。

XV1308綜采工作面圈定后，采用定向水力壓裂技術(shù)對(duì)工作面切眼及兩巷頂板進(jìn)行弱化處理[2]。水力壓裂結(jié)束后，對(duì)壓裂孔窺視進(jìn)行效果驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)定向水力壓裂對(duì)煤層以上1.5～10m的K2石灰?guī)r完整性造成破壞，而對(duì)煤層以上0～1.5m范圍內(nèi)K2石灰?guī)r完整性基本無(wú)影響。

2 理論分析

為進(jìn)一步破壞頂板完整性，在定向水力壓裂技術(shù)破壞深層頂板完整性的前提下，淺孔爆破充分利用水力預(yù)裂形成的裂隙自由面和爆破能量，對(duì)頂板造成二次破壞，形成相輔相成的雙重預(yù)裂技術(shù)理論。

在淺孔爆破過(guò)程中，水力壓裂產(chǎn)生的這些裂隙即為無(wú)數(shù)個(gè)爆破自由面，在保證一定裝藥量及封泥長(zhǎng)度的情況下，爆破應(yīng)力波會(huì)沿頂板弱面（裂隙）向上傳遞，將爆破能量全部作用在深部頂板巖層中。同時(shí)這些自由面（裂隙）會(huì)產(chǎn)生反射拉伸波，而反射拉伸波會(huì)在自由面附近引起巖石層裂和促進(jìn)原先由壓縮應(yīng)力波產(chǎn)生的徑向裂紋擴(kuò)展，有利于頂板巖石的破碎。

圖1 XV1308綜采工作面綜合柱狀圖

3 技術(shù)方案

（1）淺孔爆破參數(shù)

在切眼內(nèi)距工作面回采幫1m處施工一排淺孔爆破眼，每?jī)蓚€(gè)淺孔爆破眼為一組，每組間距0.5m，眼深3m，淺孔爆破眼朝向工作面回采幫側(cè)80～85°，共布置30組，組與組之間間距為6m，其中機(jī)頭、機(jī)尾各兩組,組與組間距為3m，具體見(jiàn)圖2淺孔爆破示意圖。

淺孔爆破采用煤礦許用毫秒延期電雷管、二級(jí)乳化炸藥，采用正向裝藥，爆破裝藥量為每眼6卷，封泥長(zhǎng)度不小于1m，使用5m腳線雷管進(jìn)行引爆，串聯(lián)一次起爆5組。裝藥時(shí)將支架前梁降至合適高度，支架頂梁支撐頂板，爆破后及時(shí)將支架前梁升緊支護(hù)頂板，確保頂板支護(hù)有效。

圖2 淺孔爆破示意圖

（2）施工機(jī)具

錨桿（錨索）鉆機(jī)：MQT-130-A；

鉆頭：直徑42mm，雙翼合金鋼鉆頭；

鉆桿：B19，1m接長(zhǎng)鉆桿；

（3）施工步驟

① 綜采工作面圈定后，水力壓裂效果達(dá)設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行工作面刮板運(yùn)輸機(jī)及采煤機(jī)的安裝。

② 綜采工作面安裝支架前，進(jìn)行淺部放頂眼施工。

③ 綜采工作面安裝到位、初采前系統(tǒng)達(dá)標(biāo)后，對(duì)淺孔爆破眼進(jìn)行爆破預(yù)裂。

④ 綜采工作面正常初采作業(yè)。

（4）兩端頭的頂板管理

① 工作面兩順槽端頭的支架正前方錨索和頂錨桿托盤(pán)在距支架頂梁＜0.6m時(shí)，且下次拉架前進(jìn)行回取；其他頂錨桿（索）托盤(pán)及煤柱幫錨桿托盤(pán)，在拉架移切頂柱、錨桿（索）即將進(jìn)入老塘前進(jìn)行回取。

② 由于頂板9m厚的K2石灰?guī)r性質(zhì)穩(wěn)定，在工作面移架后不宜跟隨支架垮落，為此正?；夭勺鳂I(yè)過(guò)程中必須加強(qiáng)對(duì)兩端頭頂板的強(qiáng)制放頂。具體為：

工作面進(jìn)風(fēng)巷端頭頂板距煤柱幫側(cè)煤幫0.3m和0.6m處（端頭架距離煤柱幫較近時(shí)只在0.3m處施工一個(gè)炮眼），各打一個(gè)炮眼，直徑43mm，炮眼長(zhǎng)度1.5m，排距1.5m，炮眼朝向老塘與頂板呈75～85°夾角，最靠煤柱幫炮眼朝向煤柱側(cè)與頂板呈80～85°，每眼裝藥量3～5卷，封泥長(zhǎng)度不小于0.5m。爆破采用串聯(lián)，一次裝藥一次爆破。

工作面回風(fēng)巷端頭頂板距煤柱幫分別為0.5m和1.2m處各打一個(gè)炮眼，直徑43mm，炮眼長(zhǎng)度1.5m，排距1.5m。炮眼朝向老塘與頂板呈75～85°夾角。每眼裝藥量3～5卷，封泥長(zhǎng)度不小于0.5m。爆破采用串聯(lián)，一次裝藥一次爆破。炮眼在兩順槽超前支護(hù)范圍內(nèi)提前施工，確保在支架前至少有兩排炮眼。炮眼在切頂線處裝藥、爆破。若支架距煤柱幫距離較小，則只對(duì)能滿(mǎn)足裝藥要求的炮眼進(jìn)行裝藥爆破；若支架距煤柱幫不足0.5m時(shí)，不進(jìn)行裝藥爆破。

4 效果分析

（1）切眼淺孔爆破眼設(shè)計(jì)在支架活動(dòng)前梁上方，在爆破作業(yè)時(shí)只需將支架前梁降下，支架頂梁支撐頂板的狀態(tài)下即可完成爆破作業(yè)，雖然雙重預(yù)裂（二次爆破）對(duì)切眼頂板破壞較大，但支架的支撐完全可以確保切眼頂板管理安全可控。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在淺孔爆破后，眼孔周?chē)敯逦闯霈F(xiàn)明顯裂隙以及塌落現(xiàn)象，支架升緊后不存在安全隱患。

（2）XV1308綜采工作面通過(guò)雙重壓裂技術(shù)的使用，初采期間頂板初次垮落步距為15.4m，工作面推進(jìn)11m時(shí)老塘頂板開(kāi)始垮落，推進(jìn)至19.8m時(shí)完全垮落。根據(jù)鳳凰山礦多個(gè)綜采工作面初次垮落步距的統(tǒng)計(jì)，在單一使用定向水力壓裂技術(shù)處理堅(jiān)硬頂板的情況下，綜采工作面初次垮落步距均在20～30m左右，而采用雙重預(yù)裂技術(shù)后，綜采工作面頂板初次垮落步距均在10～20m范圍內(nèi)，綜采工作面頂板初次垮落步距提前了至少10m。

（3）該方案的實(shí)施，有效減少了頂板初次垮落步距，減少了采空區(qū)懸頂面積，保證初采期間工作面正常通風(fēng)，有效降低工作面的瓦斯及煤塵濃度。

5 結(jié)語(yǔ)

堅(jiān)硬頂板雙重預(yù)裂技術(shù)在定向水力壓裂技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用水力預(yù)裂形成的裂隙自由面使淺孔爆破的能量對(duì)頂板破壞作業(yè)最大化，有效縮短了綜采工作面頂板初次垮落步距，大大提高了綜采工作面初采期間的安全保障能力。同時(shí)，雙重預(yù)裂技術(shù)雖然進(jìn)一步對(duì)綜采工作面切眼頂板造成了二次破壞，但通過(guò)選擇在支架上方布置淺孔爆破孔及支架安裝后進(jìn)行爆破作業(yè)，有效地解決了破壞頂板造成的安全隱患。