綜采工作面堅硬頂板弱化技術(shù)研究

魯 蒙， 舒 梅， 周橫全

(煤炭工業(yè)石家莊設(shè)計研究院貴州分院， 貴州 貴陽 550001)

1 前言

隨著煤炭開采深度的不斷增加，堅硬頂板煤層開采占比呈增加趨勢。堅硬頂板煤層回采時頂板來壓強度大、影響范圍廣，如何降低來壓強度以及來壓影響是此類煤層回采時需要重點解決的問題[1]。因此，眾多的研究學(xué)者對堅硬頂板弱化技術(shù)展開研究，其中梁龍龍[2]針對長平礦18403綜放工作面頂板堅硬問題，提出采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對頂板進行弱化，并依據(jù)現(xiàn)場情況對爆破技術(shù)方案進行設(shè)計，現(xiàn)場取得較好的頂板弱化效果；張憲軍[3]提出采用在開切眼以及回采巷道內(nèi)布置預(yù)裂爆破孔對12108綜采工作面堅硬頂板進行處理，現(xiàn)場應(yīng)用后工作面初次來壓步距降至26.2 m，有效降低了堅硬頂板來壓強度；張功[4]、段奧東[5]、張旭[6]等提出采用水力壓裂、CO2致裂等技術(shù)對頂板進行弱化，并進行了工程應(yīng)用。上述研究成果為煤層堅硬頂板弱化提供了寶貴的借鑒參考。由于水力壓裂、CO2致裂等技術(shù)對設(shè)備、作業(yè)人員技術(shù)水平等有較高要求，在煤礦井下頂板弱化中使用并不廣泛；預(yù)裂爆破使用煤礦乳化炸藥，礦井有現(xiàn)成的材料以及技術(shù)人員，因而是井下作為常用的頂板弱化技術(shù)。由于不同礦井開采煤層賦存條件有明顯差異，因此采取的堅硬頂板弱化技術(shù)方案應(yīng)針對性制定。因此，文中以貴州某礦1501

綜采工作面為工程實例，根據(jù)礦井及工作面情況提出對頂板弱化技術(shù)進行優(yōu)選，并對使用的頂板弱化技術(shù)方案進行詳細闡述，以期為其他礦井類似情況下的頂板弱化工作開展提供借鑒。

2 工程概況

1501為南翼1采區(qū)首采工作面，開采的5號煤層賦存穩(wěn)定，厚度4.85 m，采用綜合機械化開采工藝，全部垮落法控制頂板。1501綜采工作面回采巷道平均長度為820 m、設(shè)計推進長度790 m、切眼斜長250 m。煤層頂板巖性以堅硬的砂巖為主，具體巖性參數(shù)見表1。

表1 5號煤層頂?shù)讕r層力學(xué)參數(shù)

22104綜采工作面為22煤一盤區(qū)靠近井田邊界的回采工作面，工作面埋深160～240 m。22104綜采工作面設(shè)計推進距離、切眼斜長分別為1 380 m、330 m，開采范圍內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定，厚度平均2.8 m，采用綜合機械化開采工藝，采高3.0 m。22煤層頂板巖層以堅硬的砂巖為主。

根據(jù)相似采區(qū)22104工作面開采情況，預(yù)測1501工作面回采時頂板初次來壓步距為35～55 m，為了較為精準(zhǔn)的掌握工作面初次來壓步距，采用理論計算方法[7-8]對來壓步距進行計算，判定工作面頂板初次來壓步距為38.88 m。

3 5號煤層頂板巖層來壓分級

一般認為工作面頂板初次來壓步距在25 m以上、強度指標(biāo)在120以上的頂板均為堅硬頂板。頂板堅硬程度基本頂垮落來壓當(dāng)量P可通過下述公式求得：

P=241.3lnLc-15.5N+52.6hi

(1)

(2)

式中：Lc——初次垮落步距，取38.88 m；

N——覆巖充填系數(shù)，取1.5；

hi——直接頂厚度，取1.65 m;

hm——采高，取值4.85 m。

依據(jù)1501綜采工作面實際情況并結(jié)合式(1)、式(2)，計算得到P=1 133.7 kN/m2。依據(jù)表2(頂板分級指標(biāo))，確定1501工作面頂板為Ⅳ1類，開采時頂板來壓十分強烈。工作面在初采期間若不采取適當(dāng)?shù)捻敯迦趸胧?，則采空區(qū)內(nèi)空頂懸空面積為9 720 m2(工作面斜長250 m×初次來壓步距38.88 m)。在回采過程中頂板若突然大面積垮落勢必會給工作面回采安全帶來嚴重威脅。因此，在1501綜采工作面回采時應(yīng)采取合適的頂板弱化技術(shù)對頂板進行處理。

表2 頂板分級指標(biāo)表 單位：kN/m2

4 頂板弱化技術(shù)應(yīng)用

4.1 技術(shù)選擇

煤礦井下常用的堅硬頂板弱化技術(shù)對比表情況見表3。

根據(jù)礦井實際情況以及1501綜采工作面頂板巖性(中等厚度、裂隙發(fā)育)，決定采用深孔爆破技術(shù)對5號煤層堅硬頂板進行處理。

4.2 頂板弱化鉆孔施工參數(shù)

在1501綜采工作面回采范圍內(nèi)5號煤層基本頂厚度平均為7.94 m中粒砂巖，基本頂直接控制上覆巖層垮落。為了使得工作面回采后頂板巖層及時垮落，應(yīng)將該中粒砂巖作為弱化目標(biāo)巖層。5號煤層直接頂為2.65 m砂質(zhì)泥巖，因此布置的頂板弱化鉆孔弱化范圍應(yīng)在10.59 m(直接頂厚度2.65 m+基本頂厚度7.94 m)。為便于弱化鉆孔現(xiàn)場施工并提高弱化效果，將頂板弱化處理高度統(tǒng)一設(shè)計為11.0 m。具體弱化鉆孔施工參數(shù)見表4。

表3 頂板弱化技術(shù)比對表

表4 頂板弱化鉆孔施工參數(shù)

4.3 頂板弱化鉆孔布置方案

頂板弱化鉆孔主要布置在工作面切眼內(nèi)，具體布置如圖1所示。切眼內(nèi)共計布置5組頂板弱化鉆孔，每組爆破孔有4個爆破孔，鉆孔傾角在28°～32°。

采用煤礦許用三級乳化炸藥進行頂板弱化，并使用礦井自制的裝藥裝置裝藥，裝藥長度控制在6 m，采用水泥漿(漿液中按照水泥量1%添加花千素)封孔，封孔深度在5 m以上。具體鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 爆破孔布置示意圖

圖2 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)

頂板巖層弱化按照弱化鉆孔施工→裝入乳化炸藥→鉆孔封孔→連線→爆破順序展開。爆破孔連線采用局部并聯(lián)、總體串聯(lián)方式連接。切眼內(nèi)布置5組頂板弱化鉆孔，每組鉆孔中有3個鉆孔裝藥、1個鉆孔為備用孔(當(dāng)有鉆孔塌孔無法裝藥時備用孔裝藥)。

5 頂板巖層弱化效果分析

頂板巖層裂隙擴展情況以及頂板來壓情況是頂板弱化效果的主要指標(biāo)。采用YTJ20探測窺視儀對頂板巖層裂隙擴展情況進行窺視，具體弱化前后直接頂窺視鉆孔孔壁裂隙擴展情況如圖3所示。從圖中看出，弱化前窺視鉆孔孔壁平滑、未見到裂隙發(fā)育；弱化后孔壁周邊出現(xiàn)貫通的裂隙，表明采取的弱化技術(shù)可有效降低頂板巖層完整及強度。

圖3 弱化前后直接頂裂隙擴展窺視情況

對工作面回采期間頂板來壓情況進行監(jiān)測，具體結(jié)果見表5。從頂板來壓監(jiān)測結(jié)果得知，工作面回采期間初次來壓步距平均為19.5 m、來壓動載系數(shù)為1.35，頂板初次來壓步距較弱化前降至19.3 m。同時在工作面頂板來壓期間液壓支架工作阻力變化不明顯、僅有局部位置出現(xiàn)小范圍片幫，不會給工作面煤炭回采安全帶來威脅，表明頂板弱化技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用取得較好的效果。

表5 初次來壓監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié)論

(1) 1501綜采工作面回采的5#煤層頂板為堅硬的中粒砂巖，工作面回采后頂板來壓強烈，若不采取頂板弱化措施則在采空區(qū)會出現(xiàn)大面積懸空，給煤炭生產(chǎn)安全帶來較大威脅。為了給工作面煤炭回采創(chuàng)造良好條件，依據(jù)工作面、礦井實際情況，提出采用深孔爆破方式對頂板進行弱化。

(2) 沿著工作面切眼布置5組頂板弱化鉆孔，并以及現(xiàn)場實際情況對弱化鉆孔布置參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)進行設(shè)計?，F(xiàn)場應(yīng)用后，5號煤層上覆堅硬頂板內(nèi)形成貫通裂縫，工作面回采后頂板來壓步距降至19.3 m、動載系數(shù)僅為1.3，取得顯著的頂板弱化效果。