鎮(zhèn)城底礦大采高堅硬頂板工作面頂板弱化技術(shù)應(yīng)用

曹占宇

(西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

鎮(zhèn)城底礦22301綜采工作面上覆厚硬粗砂巖基本頂，巖體堅硬致密，普氏系數(shù)為10.若不對基本頂采取弱化措施，將在回采過程中面臨頂板大面積懸露問題，潛在動力沖擊風險，威脅采面安全。在控制堅硬頂板懸露方面，許多專家學者通過研究提出了頂板弱化技術(shù)以消除生產(chǎn)安全風險[1-4]。本文基于22301工作面開采條件設(shè)計了開切眼預(yù)裂爆破頂板弱化方案，在開采前提前弱化頂板力學性能以限制頂板懸露程度，促使基本頂及時垮落。現(xiàn)場實施結(jié)果顯示，弱化處理后厚硬砂巖頂板能夠架后及時垮落，未出現(xiàn)頂板懸露現(xiàn)象，采面初次來壓較平穩(wěn)，初次來壓步距僅為24 m，同時來壓期間，未發(fā)現(xiàn)煤壁片幫、壓架等問題，支架工作阻力較小。

1 工程背景

鎮(zhèn)城底礦22301綜采工作面屬于+760 m水平南三采區(qū)，北東接南翼上組回風、膠帶、軌道上山段，西為義城煤業(yè)及宏遠煤礦小窯破壞區(qū)，其他為未采區(qū)。工作面標高為+826～+898 m，地面標高為+1 195～+1 267 m.工作面沿煤層傾向布置，沿煤層走向推進，走向長度為484 m，傾斜長度為175 m.工作面開采3號煤層，煤層厚度為3.92 m，煤層傾角為4～16°.工作面上方有1層厚達6.87 m的粗砂巖，巖性堅硬致密，頂?shù)装遒x存情況如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

針對22301綜采工作面上覆厚達6.87 m的粗砂巖基本頂問題，需在初采前提前對頂板進行弱化，以控制初次來壓步距，降低工作面礦壓顯現(xiàn)強度，避免因頂板大面積懸露導致強礦壓現(xiàn)象的發(fā)生，大面積懸露頂板的驟然破斷引起積聚能量瞬時釋放，造成煤壁片幫、支架壓死等現(xiàn)象，同時產(chǎn)生的動力沖擊會威脅采面人員及設(shè)備的安全。

2 預(yù)裂爆破頂板弱化技術(shù)

目前主要有兩種應(yīng)用較廣泛的堅硬頂板弱化技術(shù)，分別為水力壓裂和深孔預(yù)裂爆破。結(jié)合兩種技術(shù)的適用特點和22301工作面的生產(chǎn)條件，選用預(yù)裂爆破技術(shù)對22301頂板進行弱化處理。

2.1 預(yù)裂爆破頂板弱化機理

預(yù)裂爆破的作用原理是通過炸藥爆炸產(chǎn)生的熱沖擊波破壞巖體的結(jié)構(gòu)完整性。當鉆孔內(nèi)填裝的炸藥發(fā)生爆破后產(chǎn)生高溫高壓的沖擊波，沖擊波向四周擴散的同時，爆炸氣體壓力和溫度快速下降，改變了周圍巖體的應(yīng)力環(huán)境，使得巖體產(chǎn)生向心運動，造成巖體破碎形成圍巖破碎區(qū)。當沖擊波進一步向外擴散，巖體在強烈的徑向壓縮作用下出現(xiàn)徑向運動，形成徑向和環(huán)向的破壞裂隙，形成圍巖裂隙區(qū)，如圖1所示。

圖1 預(yù)裂爆破分區(qū)示意

2.2 爆破參數(shù)設(shè)計

針對22301工作面條件設(shè)計了開切眼預(yù)裂爆破頂板弱化技術(shù)方案，預(yù)裂鉆孔布置示意見圖2，鉆孔施工參數(shù)如表2所示。

圖2 預(yù)裂爆破鉆孔布置(m)

表2 預(yù)裂爆破鉆孔施工參數(shù)

1) 爆破孔角度。爆破孔角度是影響爆破效果的關(guān)鍵參數(shù)之一，爆破孔角度較小，則需施工較長深的度鉆孔才能達到預(yù)定層位；角度過大會影響頂板切頂效果，頂板不易錯開垮落，同時鉆孔角度過大易造成藥卷下滑，不利于裝藥及封孔。綜合考慮后確定爆破鉆孔角度為45°.

2) 爆破鉆孔深度。爆破鉆孔的深度由預(yù)裂層位和鉆孔角度綜合控制，22301工作面直接頂及基本頂?shù)暮穸群嫌?5.02 m，為保證預(yù)裂效果，設(shè)計預(yù)裂高度為15 m，鉆孔角度為45°，因此爆破鉆孔深度為21.24 m.

3) 爆破鉆孔間距。根據(jù)預(yù)裂爆破的相關(guān)理論，同時經(jīng)過現(xiàn)場爆破試驗，得到22301工作面頂板預(yù)裂爆破破碎區(qū)半徑為0.52～0.79 m，平均值為0.64 m；裂隙區(qū)半徑為2.32～3.75 m，平均值為3.04 m.因為井下的爆破工藝為“分組裝藥，分次爆破”，為避免上組預(yù)裂鉆孔爆破產(chǎn)生的沖擊波波及下一組鉆孔造成安全事故，所以預(yù)裂鉆孔的間距取6 m，采用2號煤礦許用乳化炸藥爆破(鉆孔間距可結(jié)合現(xiàn)場施工條件優(yōu)化調(diào)整)。

4) 爆破循環(huán)步距。爆破的循環(huán)步距是控制頂板破斷距離的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，同時也決定了爆破工程量和預(yù)裂施工成本，綜合考慮22301工作面的開采條件和預(yù)裂施工成本，設(shè)計預(yù)裂爆破的循環(huán)步距為15 m.

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在22301工作面回采前，于開切眼處根據(jù)設(shè)計的方案進行了預(yù)裂爆破措施，圖3(a)為現(xiàn)場施工情況。預(yù)裂爆破后進行了頂板鉆孔窺視，以檢驗爆破對頂板的弱化效果。窺視結(jié)果顯示，鉆孔內(nèi)爆破裂隙發(fā)育明顯，頂板巖體的結(jié)構(gòu)完整性被有效劣化，達到了預(yù)期設(shè)計效果，如圖3(b)所示。同時觀察到支架后方頂板能隨采面推進及時垮落，如圖3(c)所示，解決了支架上方頂板的能量積聚問題，避免了煤壁片幫和支架壓架等問題。

圖3 預(yù)裂爆破現(xiàn)場應(yīng)用情況

支架承受載荷情況是反應(yīng)工作面礦壓顯現(xiàn)強度及頂板弱化效果的有力依據(jù)，對初采期間的支架數(shù)據(jù)進行整理分析，如圖4所示?？梢钥闯?，22301工作面割煤第30刀發(fā)生了基本頂?shù)某醮蝸韷?，此時來壓步距為24 m.根據(jù)來壓曲面圖顯示，頂板的來壓區(qū)域主要出現(xiàn)在15～80號支架附近，來壓持續(xù)距離約12 m，支架載荷表明，初次來壓強度較為低緩，僅少數(shù)支架出現(xiàn)安全閥開啟，同未在初采前采取預(yù)裂爆破的22212工作面的52 m初次來壓步距相比降低了28 m，同時初采期間支架的工作載荷顯著減小。

圖4 初采期間支架工作阻力曲線

綜合窺視結(jié)果和現(xiàn)場支架監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，開切眼預(yù)裂爆破頂板弱化技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用情況達到了預(yù)期效果，厚硬砂巖頂板的懸露面積和破斷距離得到了有效控制，避免了能量在頂板的積聚，降低了礦壓顯現(xiàn)強度和動力沖擊風險，防止了煤壁片幫、壓架等情況的出現(xiàn)。

4 結(jié) 語

1) 為解決22301綜采工作面厚硬砂巖頂板懸露問題，控制頂板初次來壓步距及強度，提出了開切眼預(yù)裂爆破頂板弱化技術(shù)方案。

2) 預(yù)裂爆破技術(shù)有效弱化了砂巖頂板的結(jié)構(gòu)和力學性能，頂板在架后及時垮落，窺視結(jié)果和支架監(jiān)測數(shù)據(jù)表明頂板弱化效果良好，工作面初次來壓平穩(wěn)，支架工作面載荷較小，保障了采面生產(chǎn)安全。