綜放開采頂板弱化實(shí)踐應(yīng)用

張麗芳

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

0 引言

近年來煤炭資源不斷減少，開采深度逐步增加，硬質(zhì)頂板煤層開采比例在不斷提高。在回采硬質(zhì)頂板煤層時(shí)，頂板來壓強(qiáng)度高，作用區(qū)域廣，如果不采取措施弱化頂板來壓強(qiáng)度和來壓影響，將會(huì)造成采空區(qū)大面積懸空，嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)[1]。頂板弱化技術(shù)有深孔預(yù)裂爆破技術(shù)、開切眼及回采巷道布置預(yù)裂爆破孔技術(shù)、水力壓裂技術(shù)、二氧化碳?xì)怏w致裂技術(shù)等，其中預(yù)裂爆破技術(shù)相較于水力壓裂技術(shù)、二氧化碳?xì)怏w致裂技術(shù)，對(duì)工人及設(shè)備專業(yè)度要求較低，為煤礦井下較常使用的頂板弱化技術(shù)[2]。本文以山西省某煤礦2301 綜放工作面為例，根據(jù)其地質(zhì)構(gòu)造與煤層賦存情況，選擇合理的頂板弱化技術(shù)并進(jìn)行工程實(shí)踐。

1 工程概況

山西省某煤礦2301 綜放工作面為首采工作面，沿傾向布置，走向推進(jìn)。該綜放工作面長820 m，推進(jìn)長790 m，切眼斜長250 m，平均煤層厚度為5.9 m，夾矸總厚度為0.34 m；頂板以硬質(zhì)砂巖為主，煤層頂板圍巖特征，如表1 所示。

表1 2301 工作面煤層頂板圍巖特性參數(shù)表

該煤礦11203 回采工作面位于2301 工作面附近，靠近井田邊界，地質(zhì)結(jié)構(gòu)、煤層賦存與2301 工作面相近，頂板圍巖主要由硬質(zhì)砂巖組成。通過該工作面開采作業(yè)實(shí)際情況，初步預(yù)測2301 工作面回采作業(yè)煤層頂板初次來壓步距在35～55 m 之間，并通過理論計(jì)算得到初次來壓步距38.77 m。

2 煤層頂板圍巖來壓分級(jí)

通常將初次來壓步距超過25 m 且強(qiáng)度指標(biāo)超過120 的煤層頂板稱為硬質(zhì)頂板。頂板冒落來壓當(dāng)量計(jì)算如公式（1）：

式中：p 為頂板冒落來壓當(dāng)量；L 表示初次來壓步距；N 為覆蓋巖體填充系數(shù)；hi為頂板厚度；hm為采高。取值如下：L=38.77 m，N=1.5，hi=1.65 m，hm=4.85 m

計(jì)算可得頂板冒落來壓當(dāng)量p=1 133.7 kN/m2。根據(jù)頂板分級(jí)指標(biāo)，該工作面煤層頂板p 值超1 075，頂板來壓屬于非常強(qiáng)烈等級(jí)，如果首采過程中不對(duì)頂板進(jìn)行弱化，回采時(shí)將會(huì)造成煤層頂板大面積冒落，影響作業(yè)安全高效進(jìn)行。綜上，需對(duì)2301 綜放工作面煤層頂板進(jìn)行弱化處理[3]。

3 煤層頂板弱化技術(shù)及應(yīng)用

結(jié)合該煤礦地質(zhì)構(gòu)造與2301 工作面煤層頂板厚度、裂隙發(fā)育情況，確定使用深孔爆破技術(shù)進(jìn)行頂板弱化處理。

3.1 煤層頂板弱化鉆孔施工參數(shù)

2301 工作面5# 煤層的基本頂板厚度平均為7.94 m，巖性為中粒砂巖，頂板對(duì)上部巖體冒落具有直接影響。在回采過程中，要把這種中粒砂巖作為弱化靶向巖層，以確?；夭珊箜敯鍘r體能夠及時(shí)冒落。弱化鉆孔布設(shè)范圍應(yīng)至少為直接頂（2.65 m）與基礎(chǔ)頂（7.94 m）厚度之和，即至少10.59 m，為方便實(shí)際鉆孔施工，增強(qiáng)頂板弱化效果，將煤層頂板弱化范圍設(shè)為11.0 m。詳細(xì)參數(shù)如表2 所示。

表2 深孔爆破技術(shù)鉆孔施工參數(shù)表

3.2 煤層頂板弱化鉆孔布設(shè)方案

結(jié)合該煤礦實(shí)際情況，2301 工作面在切眼處布設(shè)5 組煤層頂板弱化爆破孔，每組4 個(gè)鉆孔，傾斜角度控制在28°～32°之間，鉆孔布設(shè)圖如圖1 所示。爆破鉆孔內(nèi)填充炸藥使用煤礦準(zhǔn)用三級(jí)乳化炸藥，裝填在礦山自產(chǎn)裝藥設(shè)備中，裝藥長度6 m，用水泥漿（按水泥漿用量1%加入花千素）封閉鉆孔，水泥漿封孔深度應(yīng)大于5 m，鉆孔裝填順序從下到上依次為三級(jí)煤礦準(zhǔn)用乳化炸藥藥柱、電雷管、水泥漿封孔、雷管腳線、注漿管與反漿管，其中注漿管長度為3 m，反漿管長度為6 m，兩管平行插入水泥漿封孔內(nèi)，間隔大于10 cm，且均露出水泥漿長度1 m。

圖1 煤層頂板弱化鉆孔布設(shè)示意圖（單位：m）

2301 綜放工作面煤層頂板弱化施工順序?yàn)椋翰荚O(shè)鉆孔、三級(jí)乳化炸藥裝填、水泥漿封孔、雷管接線、進(jìn)行爆破。用于爆破的鉆孔雷管接線整體采用串聯(lián)連接，每組鉆孔局部并聯(lián)連接。該工作面切眼中布設(shè)5組煤層頂板弱化爆破孔，每組4 個(gè)鉆孔，采用主-備結(jié)構(gòu)布設(shè)，即其中3 個(gè)為實(shí)際爆破孔，裝填三級(jí)乳化炸藥，1 個(gè)為備用爆破孔，當(dāng)該組中實(shí)際爆破孔出現(xiàn)塌孔或其他影響爆破的情況時(shí)及時(shí)啟用。

4 煤層頂板弱化實(shí)際效果分析

評(píng)價(jià)綜采工作面煤層頂板弱化效果的指標(biāo)主要為煤層頂板來壓步距和頂板圍巖裂隙發(fā)育情況[4]。在該煤礦2301 綜放工作面使用YTJ20 型巖層探測記錄儀對(duì)煤層頂板圍巖裂隙發(fā)育情況開展探測，該型號(hào)巖層探測儀可以實(shí)時(shí)探測并記錄巖體深度，結(jié)合巖層裂隙可視化測量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體離層、破裂、破碎巖體裂隙寬度和范圍進(jìn)行測量。煤層頂板弱化施工前后巖層裂隙探測圖對(duì)比情況如圖2 所示。

圖2 2301 工作面煤層頂板弱化前后裂隙探測對(duì)比圖

由該探測圖圖可知，煤層頂板弱化施工前鉆孔孔壁光滑平整，無明顯巖層裂隙發(fā)育;煤層頂板弱化施工后鉆孔孔壁附近出現(xiàn)貫通的爆破裂隙，探測表明在該工作面煤層頂板采用深孔爆破技術(shù)可有效改變頂板圍巖完整性，降低頂板巖層強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)頂板弱化。對(duì)該工作面回采作業(yè)期間內(nèi)煤層頂板來壓步距、來壓動(dòng)載系數(shù)等來壓情況實(shí)施監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如表3 所示。通過該監(jiān)測結(jié)果可知，2301 綜放工作面回采作業(yè)期間頂板初次來壓步距平均值為19.5 m，相較于弱化施工前初次來壓步距38.77 m 降低49.7%，頂板初次來壓動(dòng)載系數(shù)均值為1.35。根據(jù)監(jiān)測可知，該工作面煤層頂板在來壓期間液壓支架工作阻力并未發(fā)現(xiàn)明顯改變，僅在局部區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)小范圍片幫，不會(huì)對(duì)工作面回采作業(yè)造成影響[5]。根據(jù)上述監(jiān)測結(jié)果分析表明，該煤礦2301 工作面煤層頂板采取的深孔爆破弱化技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中效果顯著，同時(shí)，該弱化技術(shù)對(duì)工人及設(shè)備專業(yè)度要求較低，可降低弱化成本。

表3 2301 工作面回采期間初次來壓情況監(jiān)測表

5 結(jié)語

某煤礦2301 綜放工作面煤層頂板以硬質(zhì)中粒砂巖為主，如果不采取措施弱化頂板來壓強(qiáng)度和來壓影響，回采后會(huì)造成采空區(qū)大面積懸空，嚴(yán)重威脅煤礦生產(chǎn)作業(yè)的安全進(jìn)行。根據(jù)該煤礦實(shí)際情況，測算頂板圍巖來壓情況，判定分級(jí)情況，并確定采用深孔爆破技術(shù)進(jìn)行頂板弱化處理。通過合理布設(shè)爆破鉆孔、充填爆破炸藥，對(duì)該煤層頂板進(jìn)行爆破弱化，并使用巖層探測記錄儀對(duì)頂板來壓情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明，弱化后來壓步距降低49.7%，來壓動(dòng)載系數(shù)較低，且成本較低，此次煤層頂板弱化效果明顯。