切頂預裂卸壓技術的應用研究

高 杰

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責任公司，山西 孝義 032300）

引言

綜采工作面初采時采礦工區(qū)頂板，不能及時垮落容易形成懸頂，這時若是產生大面積垮落的現象，易于造成強烈沖擊氣流，直接關系到支架情況。故而，在礦井生產過程中可通過深孔爆破的方式處理，合理運用切頂預裂卸壓技術，發(fā)揮出該項技術的最大價值。

1 生產技術條件相關概述

工作面通過走向長壁綜合機械采煤后退開采的方式處理，選用的液壓支架支護頂板型號、支架數量、額定工作阻力、高度分別為：ZY6800/08/15D、82 架、6 800 kN。2016 年中旬至2017 年中旬開采，平均推進約為275 m，開采到現在頂板來壓數量為20 次。通過對工作面頂板在線壓力監(jiān)測系統(tǒng)數據分析發(fā)現，工作面平均周期來壓步距在10 m 左右。

2 礦壓顯現機理、支架工作阻力情況分析

2.1 工作面頂板礦壓顯現機理

以15449S 工作面為主實行分析，這一工作面具有工作面大、小周期來壓的特點，4#煤綜合柱狀圖、2#煤回采過程中礦壓顯現的規(guī)律：巖性：砂質泥巖，厚度為2 m，巖性特征：黑色、含有炭質；巖性：2#煤，厚度為2.7 m，巖性特征：黑色、粉狀/塊狀，多見亮煤；巖性：砂質巖石，厚度為7.5 m，巖性特征：灰黑色、存在植物碎屑；巖性：2 下煤，厚度為3.85 m，巖性特征：黑色、粉狀、塊狀、主要為亮煤；巖性：砂質巖石，厚度為7.8 m，巖性特征：灰黑色、存在植物碎屑；巖性：粉砂巖，厚度為3.08 m，巖性特征：灰黑色、有植物碎屑；巖性：砂質泥巖，厚度為15 m，巖性特征：灰黑色且有植物碎屑；巖性：粉砂巖，厚度為2.98 m，巖性特征：呈灰黑色，有植物根部化石、硫化鐵；巖性：砂質泥巖，厚度為3.72 m，巖性特征：灰黑色且有植物碎屑；巖性：3#煤，厚度為0.56 m，巖性特征：黑色、粉狀/塊狀，為單一煤層；巖性：泥巖，厚度為3.75 m，巖性特征：灰黑色、存在植物根部化石夾層0.1 m 菱鐵礦結核；巖性：野青灰?guī)r，厚度為2.25 m，巖性特征：灰黑色、致密堅硬，而且存在方解石脈、百合動物化石；巖性：4#煤，厚度為6.2 m，巖性特征：黑色，主要為亮煤為主粉狀/塊狀，為單一煤層；巖性：粉砂巖，厚度為5.6 m，巖性特征：灰黑色、上部存在植物碎片，下部有硫鐵礦。通過研究發(fā)現，4#煤、2#煤間有2 層厚、堅硬的巖層，粉砂巖1、粉砂巖2 分別為：2.98 m、3.08 m，2#煤開采期間工作面頂板來壓為緩和的狀態(tài)，可見4#煤頂板強礦壓顯現、2#煤以上頂板覆巖結構的聯(lián)系較小，15449S 頂板壓力來源和粉砂巖1/粉砂巖2 關鍵層形成結構、野青灰?guī)r懸頂存在緊密顯現。15449S 工作面開采期間，野青灰?guī)r選定在10 m 左右，形成懸臂梁結構為構成15449S 工作面小周期來壓支架壓力的基本原因。4#煤頂板粉砂巖1/粉砂巖2 關鍵層形成結構滑落，或是回轉失穩(wěn)，為引發(fā)15449S 工作面大周期來壓的重要因素[1]。

通過對現場調研了解到，15449S 工作面支架頂梁、頂板間的間隙約為260 mm，而且無充分接頂，不能確保支架的工作狀態(tài)。工作面液壓支架偏載非常大，支架為壓死的狀態(tài)，多集中于后尾梁為主要影響原因[2]。

2.2 工作面支架工作阻力計算情況

聯(lián)系15449S 工作面礦壓顯現主要特征、工作面頂壓來源，判定這一工作面上覆巖層斷裂部位，處于工作面前方煤壁/工作面內，巖塊長度即為老頂的周期來壓步距。隨著工作面的不斷推進，老頂前端斷裂面需顯露煤壁部分，老頂巖塊旋轉、下沉并觸矸。老頂后端觸矸的過程，老頂巖塊發(fā)生斷裂的可能性較大，表示老頂巖塊前端暴露工作面煤壁，厚度沒有觸矸的時候老頂巖塊重量經采場支架所承擔，這對于支架來講會構成不良的影響。針對于此，需驗證工作面推進過程中支架工作阻力，是不是可以承載工作空間、上覆載荷巖層重量，然后準確計算支架工作阻力。聯(lián)系回采階段支架工作阻力情況來看，會制成空間、采空區(qū)上方載荷陽城鎮(zhèn)容量，這個過程需考慮到工作面無直接頂。采場支架為支護頂板，圍護采場安全生產的主要部分，在圍巖構成體系中結合采場上覆巖層運動，對采場會構成直接作用，一層至數層厚硬巖層于采場上覆巖層活動中，能夠發(fā)揮控制作用即為關鍵層，關鍵層上巖層為作用在上部的載荷[3]。所以，關鍵層下沉變形問題的發(fā)生，上覆控制范圍內巖層下沉量協(xié)調，關鍵層對支架受力可發(fā)揮重要作用。其中，如果粉砂層1 為4#煤開采覆巖壓力來源關鍵層，粉砂巖1 不會出現彎曲下沉情況，這時支架載荷覆巖處于首層粉砂巖的下部，P=6 920.8 kN/架，P 表示工作阻力；若是粉砂巖2 為4#煤開采覆巖壓力來源關鍵層，粉砂巖2 為關鍵層沒有出現彎曲下沉問題，支架載荷覆巖處于原第二層粉砂巖下部，P=22 535 kN/架。

3 工作面沿傾向兩巷沿走向深孔爆破設計要點研究

其一，實行鉆孔布置，15449S 工作面頂板預裂鉆孔經回采部位外22 m 左右施工，間隔5 m 施工一組鉆孔，垂直巷道下幫施工3～5 個鉆孔，鉆孔Φ70 mm鉆頭打設，上幫施工5 個鉆孔、Φ90 mm鉆頭打設，可借助ZYW 鉆機的作用作業(yè)。其二，裝藥方式的確定，爆破應用的為Φ50 mm 藥卷、各孔裝10 m 藥，要求在裝藥前吹孔。其三，進行爆破處理，孔底至孔口裝炸藥數量為5 卷，以正向爆破、炮泥封孔1 m 進行工作面爆破鉆孔布置工作[4-5]。

4 切頂預裂卸壓技術和其他頂板預裂技術比較狀況探討

采用切頂預裂卸壓技術時會使用專業(yè)刀具，以人工的方式在巖層預先切割定向裂縫，然后在較短時間內完成注入高壓水操作，目的為促使巖體沿定向裂縫擴展，，需要切斷硬頂板或是作以硬頂板定向分層處理，從而使得應頂板巖層強度、厚度得到改善，提高彈性的性能。這時，硬厚層頂板巖分裂到一定尺寸和形狀塊體后，經鉆孔圍巖形成預裂縫，應該確定預成裂縫空間方位，從而準確掌握巖層裂隙發(fā)展的方向，在較短的時間以高壓水使得巖體沿預先切割初始裂縫作以破裂處理，此時巖體通過預裂縫可確定層狀面情況[6]。實行強制放頂技術成熟，而且應用的范圍較廣，深孔爆破弱化堅硬頂板的效果理想，注射軟化及定向水力致裂的操作簡便、有效。

5 結語

采用先進的技術處理，能夠弱化灰?guī)r到上覆粉砂巖段巖層，改善野青工作面周期來壓強度、壓力、工作面壓架等情況，有助于使得工作面的施工進度、礦井生產效果及安全得到保障。