短長(zhǎng)壁大傾角綜放工作面堅(jiān)硬頂板超前弱化 技術(shù)研究

賈瑞榮，秦廣鵬，劉　建

(1．霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司回坡底礦，山西 霍州 041600；2．山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東 泰安 271019；3．山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)良莊礦業(yè)公司，山東 泰安 271219)

大傾角堅(jiān)硬頂板是指傾角大于25°，厚度大，單向抗壓強(qiáng)度大于80 MPa,比較完整的煤層頂板巖層。堅(jiān)硬頂板控制是煤礦采場(chǎng)礦山壓力研究的重要內(nèi)容之一。我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜，賦存著堅(jiān)硬頂板的煤層約占三分之一左右，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)有38%的綜采工作面屬于來(lái)壓強(qiáng)烈的堅(jiān)硬頂板[1-4]。大傾角煤層由于上覆巖層傾角較大，上覆巖層壓力及巖層自重垂直于層理方向的應(yīng)力分量較小，相對(duì)于近水平煤層的頂板更加難以垮落。以博斯坦煤礦為工程背景，研究大傾角堅(jiān)硬頂板超前預(yù)裂技術(shù)，構(gòu)建該工程地質(zhì)條件下的堅(jiān)硬頂板超前預(yù)裂體系，對(duì)大傾角硬厚頂板工作面的安全開(kāi)采有一定程度的借鑒和指導(dǎo)意義。

1　工作面概況

博斯坦煤礦坐落于吐魯番盆地邊緣，礦井1131綜放工作面回采3-3煤層，煤層平均厚度8.4 m，平均傾角30°，含夾矸0～3層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單～較簡(jiǎn)單，為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。工作面傾斜長(zhǎng)度62 m，運(yùn)輸平巷走向長(zhǎng)1 137 m，回風(fēng)平巷走向長(zhǎng)1 144 m。工作面上部為采空區(qū)，下部為未開(kāi)采區(qū)域，煤層埋藏深度為314～305 m，煤層相對(duì)瓦斯涌出量3.32 m3/t。工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。頂板以硅質(zhì)膠結(jié)的灰白色砂礫巖為主，次為灰白色粗砂巖、中砂巖，工作面頂板巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1　1131工作面綜合柱狀圖

1131工作面煤層直接上覆較難垮落的7.73 m中砂巖、9.75 m粉砂巖和26.76 m礫巖。由于工作面斜長(zhǎng)只有62 m，并且頂板巖層節(jié)理裂隙不發(fā)育、整體性較強(qiáng)，因此，工作面處于直接頂缺失上覆多硬厚難冒落巖層開(kāi)采狀態(tài)。

2　堅(jiān)硬頂板弱化方法的選擇

通過(guò)改變巖體力學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化以水力壓裂頂板為主[5-6]，通過(guò)水的壓裂和軟化，降低巖體強(qiáng)度和完整性，實(shí)現(xiàn)頂板充分冒落的目的。近年來(lái)，煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院對(duì)水力壓裂機(jī)理與參數(shù)、壓裂機(jī)具與設(shè)備、壓裂效果檢測(cè)等一系列技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了集中攻關(guān)。此外，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等單位也開(kāi)展了水力壓裂技術(shù)研究，并應(yīng)用于堅(jiān)硬頂板控制及沖擊地壓防治。但高壓注水存在效率較低、對(duì)某些類(lèi)型的頂板軟化效果差等缺點(diǎn)，且礦井處于戈壁荒漠區(qū)域，氣候炎熱干旱，水資源匱乏，因而水力壓裂頂板的方法無(wú)法采用。

預(yù)裂爆破法破壞巖體的完整性是一種可行的頂板處理方法，增大裂隙范圍，破壞巖體的整體性，從而使頂板容易垮落[7-9]。其中超前預(yù)爆破，對(duì)回采工作面正常生產(chǎn)干擾較小，并且可以將預(yù)裂弱化選擇在頂板拉應(yīng)力最大區(qū)域和要控制頂板垮落步距位置，減少鉆孔工程量和炸藥消耗量，降低頂板處理成本。

結(jié)合礦井現(xiàn)有開(kāi)采技術(shù)條件，擬采用深孔預(yù)裂爆破方法對(duì)1131工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行處理。初采階段工作面中部頂板垮落較好，但在工作面端部受區(qū)段煤柱及實(shí)體煤的支承作用，存在較大范圍的懸頂。因此，需要重點(diǎn)對(duì)端部頂板巖層進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破，有效冒落。

為最大限度的降低頂板預(yù)裂弱化對(duì)工作面生產(chǎn)工作的影響，且頂板治理的重點(diǎn)區(qū)域在工作面端部，擬在工作面兩區(qū)段平巷布置深孔預(yù)裂炮孔，對(duì)端部頂板進(jìn)行超前弱化，爆后可利用礦山壓力對(duì)頂板巖層的作用，促使頂板預(yù)弱化區(qū)域裂隙的進(jìn)一步發(fā)展，提高頂板的冒放性。

3　頂板破斷參數(shù)及炮孔循環(huán)爆破歩距的確定

由于該工作面基本頂強(qiáng)度高，工作面長(zhǎng)度較巖層厚度大，采用薄板理論計(jì)算分析頂板運(yùn)動(dòng)步距。按照薄板理論所建立的頂板破斷步距的計(jì)算公式見(jiàn)下式。

式中：L0為巖層初次斷裂布步距;β為巖層初次斷裂指數(shù);mc為運(yùn)動(dòng)直接頂巖層的有效抗彎斷面的厚度，7.73 m；∑m為運(yùn)動(dòng)巖層的總厚度，7.73 m；r為巖層的容重，27 kN/m3；Kc為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1；σt為抗拉強(qiáng)度，5.66 MPa；b為工作面斜長(zhǎng)，62 m；α為煤層傾角，30°。

計(jì)算結(jié)果：β=75.8，L0=101.9 m。

硬厚中砂巖初次來(lái)壓步距約為101.9 m。堅(jiān)硬頂板周期來(lái)壓歩距約為初次來(lái)壓歩距的1/3～1/2，以下位硬厚第一巖梁為基準(zhǔn)，工作面周期來(lái)壓歩距約為33.9～50.9 m之間，考慮到端頭區(qū)域受煤柱支撐作用不易垮落，其來(lái)壓歩距應(yīng)稍大，平均應(yīng)在40 m以上。

綜合考慮頂板周期破斷歩距、鉆孔難易程度、裝藥及爆破工藝的復(fù)雜程度、炮孔在空間層位的交叉以及上下端頭區(qū)域頂板垮落情況的不同等，確定工作面回風(fēng)平巷循環(huán)爆破歩距為10 m，運(yùn)輸平巷循環(huán)爆破歩距為12 m。

4　大傾角堅(jiān)硬頂板超前弱化技術(shù)方案與安全技術(shù)措施

4.1　炮孔布置方式

考慮到1131工作面大傾角的條件，基本頂垮落效果不理想，中部及端部均存在懸頂，但上端部更為嚴(yán)重，所以重點(diǎn)應(yīng)在兩巷順槽布置扇形旋轉(zhuǎn)鉆孔對(duì)端頭區(qū)域頂板進(jìn)行拉槽截?cái)啾茝?qiáng)制放頂，同時(shí)在兩巷順槽施工至工作面中部鉆孔，對(duì)工作面中部區(qū)域?qū)?yīng)頂板亦進(jìn)行相應(yīng)弱化。

4.1.1下位巖層爆破爆孔布置

針對(duì)厚煤層放頂煤開(kāi)采下位巖層不斷裂垮落情況，采取扇形密集孔布置方式，如圖2所示。

炮孔開(kāi)孔地點(diǎn)位于工作面上下順槽距煤壁40 m處。炮孔控制范圍為傾向22 m、走向8 m范圍，上順槽布置6個(gè)扇形孔，下順槽布置5個(gè)扇形孔，向工作面中部布置6#炮孔和11#炮孔，對(duì)中部頂板進(jìn)行弱化。從確保下位頂板有效碎裂角度出發(fā)，每組炮孔的間距上順槽為10 m，下順槽為12 m，從而確保范圍內(nèi)頂板能夠有效充分預(yù)裂以充填采空區(qū)。同時(shí)為了減小爆破對(duì)1131工作面頂煤完整性的破壞，巖層底部留設(shè)1.5 m保護(hù)層。

圖2　下位巖層爆破炮孔布置示意圖

4.1.2上位巖層爆破炮孔布置

上位巖層采取截?cái)啻胧?，改變頂板支撐狀態(tài)，使其脫離與采區(qū)空區(qū)巖層的聯(lián)系，并且形成懸臂梁狀態(tài)，以縮小第二層頂板的垮落步距，如圖3所示。

圖3　上位巖層爆破炮孔布置平剖示意圖

在1131工作面上下順槽對(duì)上位堅(jiān)硬巖層實(shí)施截?cái)啾疲贾蒙刃吻袛嗫?。具體爆孔布置方案為第一組炮孔爆破時(shí)距工作面煤壁30 m。上下順槽每組布置四個(gè)個(gè)炮孔，其中三個(gè)較短孔的作用是沿巷道對(duì)第二巖層進(jìn)行切斷，較長(zhǎng)爆孔的作用是對(duì)第二巖層沿傾斜方向進(jìn)行截?cái)?，使其與采空區(qū)部分失去聯(lián)系形成懸臂梁。循環(huán)爆破階段兩組炮相隔12 m，相鄰組炮孔孔底(a#和c#，d#和f#)均留設(shè)4 m的安全距離。

4.2　預(yù)裂爆破參數(shù)

每炮孔裝藥系數(shù)不高于0.6，封孔系數(shù)不低于0.4，裝藥不耦合系數(shù)1.5，孔內(nèi)各藥卷用導(dǎo)爆索串聯(lián)，每孔兩發(fā)電雷管串接導(dǎo)爆索起爆。各孔爆破參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

在計(jì)算炮孔裝藥長(zhǎng)度及裝藥量時(shí)，考慮到礦井采用綜采放頂煤采煤方法，需要確保工作面上覆頂煤的完整性。因此，留頂煤保護(hù)層，炮孔裝藥段控制在保護(hù)層上方，施工過(guò)程中需要保證封孔質(zhì)量和封孔段長(zhǎng)度，確保爆破過(guò)程中不出現(xiàn)沖孔，既保證預(yù)裂的效果，亦盡量避免沖孔對(duì)巷道壁及頂煤的破壞。

4.3　安全技術(shù)措施

1) 鉆孔需要嚴(yán)格按炮孔設(shè)計(jì)位置以及設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，未經(jīng)技術(shù)人員審批不得隨意變更設(shè)計(jì)參數(shù)；在施工過(guò)程中精確鉆進(jìn)，合理操作，保證炮孔的精度；確保濕式打眼，鉆孔完畢認(rèn)真清洗炮孔，在孔口表明實(shí)際孔深。

2) 鉆孔裝藥前檢查炸藥保質(zhì)期，裝填炮頭前，必須認(rèn)真檢測(cè)、 導(dǎo)通雷管；導(dǎo)爆索與藥卷要貼合緊密，雷管與導(dǎo)爆索綁扎牢靠，避免脫落，小心固定送至炮孔孔底。

3) 炮孔間聯(lián)線要確保接頭清潔，認(rèn)真懸掛聯(lián)線及檢測(cè)爆破網(wǎng)路，避免短路、漏聯(lián)，實(shí)測(cè)網(wǎng)路電阻與計(jì)算值不得相差較大，否則應(yīng)檢查爆破網(wǎng)路。

4) 靠近炸藥串的專(zhuān)用堵孔水泥及靠近孔口的專(zhuān)用堵孔水泥長(zhǎng)度均不得小于0.5 m；中部充填的黃土細(xì)砂按配比由封孔器輸送至孔內(nèi)；專(zhuān)用堵孔水泥由人工頂推至孔內(nèi)并搗實(shí)。

表1　下位巖層爆破參數(shù)表

表2　上位巖層爆破參數(shù)表

5) 每個(gè)炮孔在孔口處應(yīng)預(yù)留不小于0.2 m的空段，放置富余的導(dǎo)爆索及電雷管，最后用炮泥將孔口預(yù)留段封堵密實(shí)，防止電雷管以及堵孔水泥外的少量導(dǎo)爆索起爆時(shí)所產(chǎn)生火焰外泄。

6) 炮孔內(nèi)裝藥末端與巷道煤壁的距離不得小于10 m；超前預(yù)爆破地點(diǎn)超前回采工作面的距離不得小于15 m；由于礦井為瓦斯礦井并且一次起爆藥量較大，裝藥過(guò)程中作業(yè)區(qū)域需要全面斷電并且警戒距離必須大于100 m；起爆時(shí)，井下所有人員撤離至地面方再進(jìn)行井下起爆。

7) 每組炮孔爆破前，提前將工作面以及上下順槽內(nèi)的浮煤與煤塵清理干凈；爆破前，確保工作面支架接頂良好，初撐力不低于額定工作阻力的80%，支架工作狀態(tài)良好。

8) 嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”制度，爆破前隨時(shí)檢測(cè)作業(yè)區(qū)域以及炮孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，不得超限；爆破后加?qiáng)通風(fēng)，保證通風(fēng)時(shí)間，不得冒失進(jìn)入作業(yè)區(qū)域；作業(yè)區(qū)域可以進(jìn)入時(shí)，需由專(zhuān)職人員認(rèn)真檢查爆破情況或?qū)μ厥馇闆r處理完畢之后，其他人員方可進(jìn)入。

5　結(jié)　論

根據(jù)博斯坦煤礦1131工作面大傾角堅(jiān)硬頂板實(shí)際情況，綜合分析了堅(jiān)硬頂板處理方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定了符合工作面實(shí)際情況的頂板深孔預(yù)裂技術(shù)途徑。針對(duì)博斯坦煤礦1131工作面設(shè)計(jì)了大傾角硬厚巖層超前預(yù)裂爆破炮眼布置方式和超前爆破布置參數(shù)。超前預(yù)裂技術(shù)的應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)取得了顯著效果，工作面下隅角處頂板得到了有效控制，上隅角處頂板控制在合理范圍內(nèi)，頂板狀況相對(duì)與之前得到了很大改善。同時(shí)針對(duì)于1131工作面提出了防止爆炸沖孔、防止爆炸火焰外泄、防止爆破震動(dòng)危害的措施并得到了成功實(shí)踐，保證了博斯坦煤礦的安全生產(chǎn)。

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