堅(jiān)硬特厚煤層綜放工作面頂板弱化技術(shù)應(yīng)用研究

趙 斌

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

韓家洼煤業(yè)頂?shù)装鍡l件為特有的“三硬”條件，頂、底板及煤強(qiáng)度高，頂煤普氏系數(shù)平均為2.5，自然放頂時(shí)頂煤回收率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，冒放性差，采空區(qū)懸頂面積大，造成了極大的安全隱患。為了提高頂煤冒放率，增加經(jīng)濟(jì)效益，防止回采期間頂板大面積突然垮落，工作面頂板的弱化管理十分重要。

1 工作面概況

22#煤層上距19#煤層平均間距38.54m，煤層厚度10.35～15.82m，平均11.78m，含2～5層夾矸，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，全井田分布，屬穩(wěn)定煤層。煤層瓦斯絕對(duì)涌出量和相對(duì)涌出量低，為低瓦斯煤層。22201工作面走向長833.8m，切眼長150m。煤層直接頂以粉、細(xì)砂巖為主，厚度4～6m；基本頂為中、粗砂巖，厚度平均22.7m；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及少量的炭質(zhì)泥巖，厚度4～5m。工作面為南西高北東低的單斜構(gòu)造，根據(jù)22201兩順槽巷道資料，初采期間無斷層及其他構(gòu)造影響，22201綜放工作面直接頂初次垮落步距為18m，基本頂初次跨落步距為30～35m。根據(jù)地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料，繪制22201工作面綜合柱狀圖，如圖1所示。

2 頂板弱化機(jī)理及弱化手段

（1）常見的弱化方法及機(jī)理

對(duì)于頂板弱化一般采用注水法和爆破預(yù)裂弱化法。注水弱化法是指通過對(duì)堅(jiān)硬頂板場(chǎng)地高壓注水，在水—巖作用的機(jī)理下，利用巖石的水理性質(zhì)，通過水的物理和化學(xué)軟化作用，降低巖石物理力學(xué)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)頂板弱化。爆破預(yù)裂弱化法是采用爆破的方法，增加煤巖體裂隙，破壞煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達(dá)到頂板強(qiáng)度的弱化。

圖1 工作面綜合柱狀圖

（2）堅(jiān)硬頂板弱化機(jī)理

堅(jiān)硬頂板的弱化指從頂板的能量積聚和頂板裂隙節(jié)理角度，通過人工干預(yù)的方法，對(duì)頂板的能量進(jìn)行釋放，并且增加頂板的裂隙節(jié)理，使其形成松散結(jié)構(gòu)，達(dá)到降低頂板強(qiáng)度，使頂板的極限跨距減小的目的，加快頂板的跨落，避免因長期懸頂造成的可能出現(xiàn)的安全事故。在堅(jiān)硬頂板的弱化處理工藝中，最常見的為注水法和爆破法。其中注水法由于技術(shù)難度高，成本大，效果差，未得到廣泛應(yīng)用，因此爆破法弱化頂板更適宜韓家洼堅(jiān)硬頂板的弱化工藝。爆破法弱化頂板是采用礦用安全炸藥對(duì)堅(jiān)硬頂板的關(guān)鍵位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)性爆破破壞，增加頂板的裂隙和節(jié)理數(shù)量以及發(fā)育程度，使堅(jiān)硬頂版的物理力學(xué)強(qiáng)度：抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角與彈性模量大幅度降低，使堅(jiān)硬頂板的冒落性提高。而且利用炸藥爆破可以更好地釋放頂板彈性能，削弱頂板抗剪能力，預(yù)防因工作面支承壓力過大造成的壓死液壓支架安全事故。

（3）爆破弱化方法選擇

淺孔循環(huán)式爆破、深孔地面爆破和深孔預(yù)制裂縫爆破法是三種頂板爆破弱化方法。深孔地面爆破是通過地面打孔，進(jìn)行爆破弱化頂板，該方法頂板弱化效果最佳，但由于在鉆孔鉆探方面花費(fèi)較高，耗時(shí)耗力，一般用于淺埋煤層條件下的頂板弱化。淺孔循環(huán)式爆破指鉆孔深度小于5m的淺層多循環(huán)作業(yè)的爆破方法，其主要被用于較軟弱頂板，由于工藝繁雜，鉆孔數(shù)量要求較多，極大影響工作面的生產(chǎn)效率。深孔預(yù)制裂縫爆破法是通過深孔炸藥大范圍爆破，使頂板爆破達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)裂縫效果。深孔預(yù)制裂縫爆破法，因?yàn)楸沏@孔所需炸藥藥量較小，爆破效果可控制，工藝較簡(jiǎn)單，爆破作業(yè)效率較高，可配合綜采和綜掘設(shè)備實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)—爆破—裝運(yùn)機(jī)械一體化。對(duì)比研究韓家洼煤礦22201工作面地質(zhì)條件及生產(chǎn)技術(shù)條件，使用深孔預(yù)制裂縫爆破法弱化其堅(jiān)硬頂板。

超前深孔爆破主要指在工作面兩側(cè)順槽巷道頂板處打眼，在距工作面前方15～30m處進(jìn)行深孔爆破，使頂板提前破碎，進(jìn)而減小頂板的極限垮落步距。設(shè)超前深孔爆破后頂板的極限垮落步距為L0″，則其力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 超前深孔爆破力學(xué)模型

3 超前深孔爆破方案

3.1 爆破孔深度

根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)條件，22201工作面設(shè)計(jì)采高為3m，則初次深孔爆破深度應(yīng)為

式中：

Hl2-深孔爆破深度，m；

n-安全爆破系數(shù)，取1.2；

H-工作面頂煤垮落高度，H=M/(Kρ-1)，M為工作面采高，取3.0m，Kρ為巖石碎漲系數(shù)，取1.25，則頂板冒落高度為12m；

θ-最大爆破仰角，取35°。

將數(shù)據(jù)代入可得初次深孔爆破高度為25m，初次切斷孔為20m，步距深孔爆破深度為初步放頂孔深度3/5，故步距深孔爆破深度應(yīng)為15m。

3.2 放頂孔布置方式及參數(shù)

本次爆破設(shè)計(jì)炮孔直徑為65mm，裝藥不耦合系數(shù)為1.3，分別在工作面切眼和兩側(cè)順槽處布置炮孔，使用二級(jí)煤礦許用炸藥，每孔裝藥長度為孔深的2/3，裝藥2kg/m，充填長度為孔深的1/3，充填物為黃土，具體布置方案如下。

（1）初次放頂孔

初次放頂孔為水平扇形孔，分別布置在頭、尾兩順槽巷內(nèi)，距開切眼15m的位置上。每組布置5個(gè)孔，其中正孔3個(gè)，轉(zhuǎn)角70°，仰角15°、25°、35°，切斷孔2個(gè)，轉(zhuǎn)角15°，仰角25°、35°，正孔深25m，切斷孔深20m，如果遇到頂板白砂巖，停轉(zhuǎn)。位置布置如圖3所示，詳細(xì)參數(shù)見表1。

圖3 初次放頂孔布置圖

表1 初次深孔爆破參數(shù)表

表2 步距深孔爆破參數(shù)表

（2）步距放頂孔

步距放頂孔為水平扇形孔，分別布置在頭、尾兩順槽巷內(nèi)，距上一次鉆孔15m，共布置數(shù)組，直到基本頂完全垮落。每組布置4個(gè)孔，其中正孔2個(gè)，轉(zhuǎn)角70°，仰角25°、35°，切斷孔2個(gè)，轉(zhuǎn)角15°，仰角25°、35°，孔深均為15m，如果遇到頂板白砂巖，停轉(zhuǎn)。位置布置如圖4所示，詳細(xì)參數(shù)見表2。

圖4 步距放頂孔布置圖

4 應(yīng)用效果

該技術(shù)的可行性需要通過現(xiàn)場(chǎng)頂板的弱化效果檢驗(yàn)，為驗(yàn)證工作面頂板的弱化效果，可以分別從頂板垮落效果和礦壓的變化來判斷。將深孔預(yù)裂爆破技術(shù)應(yīng)用于22201工作面，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)工作面頂板冒落塊度滿足綜放采煤基本要求，直接頂?shù)目迓洳骄嘞鄬?duì)下降，載荷變化平緩。工作面直接頂未采用該技術(shù)前的初次來壓步距為18m，基本頂初次來壓步距為63m，周期來壓步距為27m。采用深孔預(yù)制裂縫爆破法弱化頂板后，發(fā)現(xiàn)直接頂初次來壓步距降為8m，基本頂初次來壓步距為32m，周期來壓步距為14m。直接頂初次垮落步距減小了55.6%，基本頂初次垮落降低49.2%，周期垮落步距降低48.1%，堅(jiān)硬頂板實(shí)現(xiàn)了弱化，冒落程度明顯提高。工作面回采率也提升了15%，資源回收率的增加帶來了極大的經(jīng)濟(jì)效益，說明了本次深孔預(yù)裂爆破頂板弱化技術(shù)應(yīng)用取得了成功。