堅硬難垮落頂板的處理方式研究

陳自新

（神華寧煤集團 靈州建井工程公司，寧夏 靈武 751410）

所謂堅硬難垮落頂板是指：巖石強度大、整體性好、厚度大、具有較強的自承能力，煤層開采后可形成大面積懸頂?shù)碾y垮落的頂板。對于此類頂板，以往常用煤柱支承法開采（包括房柱法、刀柱法等），其優(yōu)點是：開采直接成本較低，頂板控制工程量??；但問題是：煤炭損失大(主要是面積損失)，并有大面積來壓威脅。為解決此問題，國內(nèi)外進行了采煤方法的改進試驗和頂板弱化處理試驗，將難垮落頂板改變?yōu)檩^易垮落頂板，從而實現(xiàn)長壁機械化開采。

1 堅硬難垮落頂板的巖層力學性質(zhì)

堅硬難垮落頂板的力學特性是由多種因素形成的，其巖層有整體性好、強度大、厚度大、彈性模量大等特點。這類頂板多為砂巖、砂頁巖、石灰?guī)r，少數(shù)為礫巖。一般來說，堅硬難垮落頂板巖石的單軸抗壓強度大于60 MPa，也有高達200 MPa以上的。

堅硬巖石的破壞通常表現(xiàn)為脆性破壞。破壞前變形很小，有較高的彈性模量，但當應力達到強度極限后，出現(xiàn)突發(fā)性破壞。堅硬巖石的彈性模量多在12.0 GPa以上。巖層整體性強，也是決定堅硬頂板難垮落的主要原因。有些頂板巖石的抗壓強度并不很高，但卻由于整體性很強、節(jié)理裂隙不發(fā)育分層厚度大，也表現(xiàn)出堅硬難垮落頂板的礦壓特征。例如，大同礦區(qū)的2號煤層頂板的厚層礫巖頂板，巖石的單軸抗壓強度一般為30～50 MPa，它比其它層位的砂巖頂板強度還低一些，但因其整體性很強，很少有明顯的節(jié)理、裂隙、層理等弱面，成為大同礦區(qū)最難垮落的頂板，可懸露上萬平方米的面積，常形成強烈的采場來壓。再者，一些強度較高的頂板巖石（如部分石灰?guī)r），如果節(jié)理裂隙發(fā)育、分層厚度小，同樣可隨采隨冒，不會形成強烈的來壓顯現(xiàn)。所以，劃分堅硬難垮落頂板類型，一般應包括：巖石的力學指標、巖體的結(jié)構(gòu)特征和工程指標。

2 堅硬難垮頂板工作面的礦壓顯現(xiàn)特征

1）大面積垮落特征。堅硬難垮落頂板在煤層采出后，當懸露面積較大時，才突然垮落。20世紀80年代前，我國的大同、北京、烏魯木齊、棗莊等礦區(qū)大都采用刀柱采煤法管理頂板。每回采一定距離后，在采空區(qū)內(nèi)留設(shè)一定面積的煤柱支承頂板。這種方法可基本保證工作面回采期間頂板不垮落。但是，隨著開采面積的不斷擴大，所留煤柱應力逐漸增大，終被壓酥破壞。當采空面積達到一定范圍時，常常發(fā)生大面積垮落，造成劇烈的動力現(xiàn)象。

2）堅硬難垮落頂板工作面的初次來壓特征。工作面從切眼開始推進回采，當懸露較大面積后才突然破斷垮落，工作面出現(xiàn)強烈的來壓顯現(xiàn)。堅硬難垮落頂板工作面初次來壓的另個特點是一次斷裂、垮落的巖層厚度大；冒斷厚度可達10～25 m，甚至更大?？迓鋷r石的塊度大，有的塊度可達十幾立方米，甚至幾十立方米。堅硬難垮落頂板工作面初次來壓的第三個特點是來壓強度大，動載系數(shù)高；大面積的懸頂一次性斷裂垮落時，產(chǎn)生瞬時沖擊載荷，常損壞工作面的支護設(shè)備，甚至造成人員傷亡等惡性事故。

3）堅硬難垮落頂板的周期來壓特征。堅硬難垮落頂板工作面初次來壓后，隨著工作面的推進，支架后方常形成較長的頂板懸臂，有時可達20～30 m，最大達到55 m。由于堅硬難垮落頂板的巖石破斷角較小，直接頂垮落后形成的矸石墊層很薄，有時甚至根本沒有墊層，致使未垮落懸頂與垮落的矸石堆沒有任何力學聯(lián)系，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。當懸臂達到一定極限長度時，才會斷裂和垮落，使工作面造成強烈的周期來壓顯現(xiàn)。堅硬難垮落頂板工作面的周期來壓特點是：來壓步距大、動載系數(shù)高；來壓時常對支護設(shè)備造成動載破壞，甚至危及人身安全。

3 堅硬難垮頂板的處理方法

3.1 注水弱化堅硬頂板

1）頂板高壓注水。首先使用鉆機向頂板打深孔，其次插入注水管后封孔，最后經(jīng)注水管向孔內(nèi)注高壓水，利用高壓水使頂板壓裂。向深孔注高壓水的作用就是對頂板的完整性進行破壞，增加頂板的原始裂隙，使水流通過頂板中的裂隙更好地滲流，從而降低了頂板強度。再者，水壓的變化可使頂板巖體內(nèi)應力的分布改變，可使巖體產(chǎn)生塑化作用。

2）頂板靜壓注水。對頂板注水使頂板巖體吸水后，巖體中的部分礦物質(zhì)溶解，巖層間粘結(jié)性減小，頂板巖體強度就會降低，可使頂板提前垮落，減小了老頂來壓時的強度。但是這種方法有局限性，并不是所有巖性的頂板都適合。

3.2 爆破弱化堅硬頂板

頂板上打孔后，在孔內(nèi)裝上適當?shù)恼ㄋ帲缓蠓饪妆?，從而破壞了頂板的完整性，在上覆巖層作用下，可使頂板斷裂。爆破弱化頂板的方法有：循環(huán)式淺孔放頂、步距式深孔爆破、超前深孔預裂爆破、地面深孔放頂。

4 工程實例

山西長治某礦，開采15號煤層，煤層均厚4.3m，直接頂為0.4～0.9m的炭質(zhì)泥巖，老頂為7～8m的石灰?guī)r。根據(jù)礦井地質(zhì)條件，對堅硬頂板的處理方法討論如下：

1）由于不同巖石注水后的強度變化不一樣，有的強度降低得多，有的強度降低卻很少。根據(jù)試驗室試驗15號煤層石灰?guī)r頂板吸水率較低，且高壓注水壓裂與注水軟化周期長。因此15號煤層頂板處理方法不宜選用注水弱化的方法處理頂板。

2）循環(huán)式淺孔爆破，要在切頂線處從支架后部向頂板打眼，打孔與裝藥存在很大困難，嚴重影響生產(chǎn)。步距式深孔爆破，需沿工作面向頂板偏向采空區(qū)方向打孔、裝藥，也存在較大困難。由于工作面打孔與裝藥影響生產(chǎn)，因此循環(huán)式淺孔架后強制放頂和步距式深孔爆破的方案均不可取。

3）地面深孔爆破，從地面垂直向下打孔至采區(qū)頂板位置，其鉆孔深度較大，打孔工程量大；并由于地面打孔，鉆孔經(jīng)過地面表土層，鉆孔成孔率相對較低（甚至無法成孔），孔易變形，影響裝藥質(zhì)量，可能出現(xiàn)裝藥不連續(xù)，甚至無法爆破到煤層頂板。

4）超前深孔預裂爆破在專用巷道（工藝巷）進行施工，不影響工作面正常生產(chǎn)，有利于工作面生產(chǎn)能力的實現(xiàn)。故在專用巷道進行施工具有方便、簡單等優(yōu)點。綜上所述，長治15號煤層頂板選用開切眼切槽處理和順槽深孔超前預爆破方法進行弱化處理。

5 結(jié)束語

目前，堅硬頂板處理的方法可有：注水弱化和爆破弱化。由于煤礦與煤礦的不同地質(zhì)條件、頂板弱化方案也會不同，應按工作面頂板的巖性、經(jīng)濟成本、方案安全性等確定頂板弱化的方法。超前深孔松動爆破不影響工作面生產(chǎn)，且效果較明顯，應用的較廣些。

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