煤礦井下工作面堅(jiān)硬頂板弱化技術(shù)研究

馬 偉

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司，山西 晉城 048000）

煤礦開采過程中若遇到工作面頂板強(qiáng)度較大，工作面推進(jìn)時(shí)頂板不易自然垮落，將嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)。 因此，需采用弱化技術(shù)來對(duì)頂板進(jìn)行處理，破壞其完整性，使之在較小的步距下垮落，消除對(duì)工作面的安全威脅[1-2]。 可見，研究煤礦井下工作面頂板弱化技術(shù)具有極為重要的意義[3-5]。

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦1301 工作面長約200 m，開采3#煤層，頂板為中砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，在開采過程中不易垮落，工作面頂板滑落和回轉(zhuǎn)空間大，采空區(qū)懸頂面積大時(shí)頂板初次垮落會(huì)嚴(yán)重危害井下生產(chǎn)作業(yè)安全。 1301 工作面布置見圖1，工作面煤層及頂?shù)装逯鶢顖D見圖2。

圖1 1301 工作面布置

圖2 工作面煤層及頂?shù)装逯鶢顖D

2 頂板弱化技術(shù)

為解決煤礦井下工作面堅(jiān)硬頂板易造成大面積懸頂?shù)碾[患，國內(nèi)外學(xué)者提出了一系列的頂板弱化技術(shù)，從而保證井下作業(yè)的安全，常用的頂板弱化技術(shù)主要有注水弱化和爆破弱化。

2.1 注水弱化

注水弱化技術(shù)可分為高壓注水弱化和靜壓注水弱化。 高壓注水弱化基本原理是利用高壓水流對(duì)頂板巖層原有裂隙進(jìn)行擴(kuò)展，巖體在水力、化學(xué)及物理作用下產(chǎn)生弱化效應(yīng)，該弱化技術(shù)目前已成為國際上常用的弱化技術(shù)之一， 具有較好的壓裂效果。 靜壓注水弱化技術(shù)適用于吸水性較強(qiáng)的巖體，其基本原理是通過提高巖體的含水率，巖體與水產(chǎn)生水化作用從而降低巖體強(qiáng)度，該方法的局限性較大，巖體吸水后強(qiáng)度降低過大也不適用，且采用該弱化技術(shù)前， 首先需對(duì)頂板巖體進(jìn)行室內(nèi)浸水試驗(yàn)，充分了解目標(biāo)巖體的遇水軟化效應(yīng)，為制定合理的靜壓注水方案提高基本的理論依據(jù)。

2.2 爆破弱化

爆破弱化及采用爆破方式來處理堅(jiān)硬頂板，爆破弱化技術(shù)又可分為3 類，下面對(duì)3 類爆破技術(shù)做簡要介紹

（1）循環(huán)式淺孔放頂：工作面每開采1～2 個(gè)循環(huán)，在工作面頂板布置淺孔進(jìn)行爆破，該方法對(duì)工作面推進(jìn)速度有較大的影響。

（2）超前深孔預(yù)裂爆破：在井下工作面選取合適的位置， 向工作面前方頂板打深孔進(jìn)行爆破，預(yù)先弱化頂板。

（3）地面深孔放頂是在采空區(qū)上方地面打爆破鉆孔至合適的位置進(jìn)行爆破，將頂板崩落。

在以上爆破技術(shù)中深孔預(yù)裂爆破由于可實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的超前弱化，故相比其他爆破技術(shù)安全性更高。

3 超前深孔預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

水力弱化技術(shù)雖具有較高的安全性和經(jīng)濟(jì)性，但其弱化周期過長， 為保證煤礦盡快開始生產(chǎn)，達(dá)到應(yīng)有的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力， 經(jīng)工程人員綜合考慮，決定在1301 工作面采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)處理堅(jiān)硬頂板。

3.1 超前深孔預(yù)裂爆破基本理論

超前深孔預(yù)裂爆破就是利用爆破技術(shù)破壞工作面前方頂板巖體的完整性，使頂板巖體在爆破沖擊波的作用下產(chǎn)生裂隙。 炸藥爆破產(chǎn)生的沖擊壓力可達(dá)5～10 萬個(gè)大氣壓，位于爆破核心區(qū)域的部分巖體，在爆破產(chǎn)生的高沖擊壓力和高溫（爆破產(chǎn)生的溫度大于3 000℃）作用下，受到強(qiáng)烈壓縮形成塑性流態(tài)物質(zhì)，產(chǎn)生爆破空腔。 爆破能量在巖體內(nèi)向外擴(kuò)散， 爆破產(chǎn)生的沖擊力和溫度也隨之降低，部分巖體發(fā)生向心運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步將塑性流態(tài)的巖體壓縮粉碎，形成壓碎圈。 一般來說壓碎圈的范圍較小，因?yàn)閹r體的抗壓強(qiáng)度較大，壓碎圈可吸收大部分的爆破能量，爆破沖擊波在經(jīng)過壓碎圈之后，便不可將巖體壓縮為塑性流態(tài)，沖擊波也發(fā)生衰減。 沖擊波在壓碎圈外可引起環(huán)向拉應(yīng)力。 因此，沖擊波雖然已有大幅度的衰減，仍可形成裂隙圈。 裂隙圈之外的爆破沖擊波由于能量的衰減以及藥室體積的增大，已不足以對(duì)巖體造成破壞，巖體處于彈性變形狀態(tài)，直至爆破沖擊波完全被巖體吸收，達(dá)到原巖應(yīng)力區(qū)，爆破孔分區(qū)見圖3。

圖3爆破孔分區(qū)

3.2 爆破參數(shù)的確定

根據(jù)礦山壓力與巖層控制的相關(guān)理論及已有地質(zhì)資料，判斷頂板巖層中5.3 m厚的中粒砂巖為關(guān)鍵層（老頂），控制著自身及上覆巖層的變形與移動(dòng)。 為使1301 工作面頂板在回采初期及時(shí)垮落，放頂切斷的目標(biāo)巖層為頂板關(guān)鍵層（老頂），即5.3 m厚的中粒砂巖。 因此，初步確定1301 工作面開切眼頂板弱化處理的主要對(duì)象為老頂巖層。

1301 工作面掘進(jìn)高度為4 m。 結(jié)合圖2 中的煤層及頂?shù)装鍘r層柱狀圖可知，1301 工作面開切眼頂板從下至上依次為2.4 m泥巖、5.3 m中粒砂巖（老頂）、7.4 m泥巖。 老頂之上泥巖的完整性應(yīng)適當(dāng)破壞，設(shè)計(jì)深孔預(yù)裂垂直深度需深入到老頂之上的泥巖內(nèi)3 m，因此頂板垂直處理高度約為10.7 m。 考慮巖層厚度可能存在局部變化，綜合確定頂板深孔預(yù)裂處理垂直高度為11 m。 1301 工作面初采前頂板預(yù)裂主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）頂板處理高度：頂板處理最大垂直高度11 m；

（2）孔徑75 mm；

（3）炸藥密度：1 194.265 kg/m3；

（4）炸藥爆速：2 800 m/s；

（5）破碎區(qū)半徑平均為0.6 m；

（6）裂隙區(qū)半徑平均為3.1 m；

（7）孔距：每組內(nèi)5.0 m；

（8）炮孔角度（水平仰角）：30±2°；

（9）封泥長度：7.5 m。

3.3 深孔預(yù)裂爆破方案

1301 工作面開切眼內(nèi)共施工預(yù)裂炮孔20 個(gè)，施工炮眼總長440 m；裝藥總長度217.5 m，炸藥用量650 kg；封泥長度112.5 m。 炮孔沿開切眼軸向布置，炮孔仰角為30±2°（炮孔仰角指炮孔與頂板巖層水平面之間的夾角）， 炮眼布置方式見圖4，炮眼參數(shù)見表1。

圖4 1301 工作面頂板炮眼布置方式

表1 炮眼參數(shù)

編號(hào) 編組 炮孔長度/m 仰角/° 孔徑/mm 裝藥長度/m 裝藥量/kg 封泥長度/m 裝藥卷數(shù)/個(gè)9 22 30 75 14.5 43.5 7.5 29 10 22 30 75 14.5 43.5 7.5 29 11 22 30 75 14.5 43.5 7.5 29 12 22 30 75 / / / 備用孔13第三組22 30 75 14.5 43.5 7.5 29 14 22 30 75 14.5 43.5 7.5 29 15 22 30 75 14.5 43.5 7.5 29 16 22 30 75 / / / 備用孔17 22 30 75 14.5 43.5 7.5 29 18 22 30 75 14.5 43.5 7.5 29 22 30 75 14.5 43.5 7.5 29第四組19第五組20合計(jì)///5 組22 440 30/75/217.5 652.5 112.5備用孔435

起爆順序在開切眼內(nèi)從回風(fēng)順槽1 向膠帶運(yùn)輸順槽方向：1～20 號(hào)鉆孔依次分5 組進(jìn)行，每組布置4 個(gè)鉆孔， 其中3 個(gè)鉆孔為裝填炸藥的爆破孔；由于鉆孔打出后可能出現(xiàn)局部塌孔無法裝藥的情況。 因此，另一個(gè)鉆孔內(nèi)不裝填炸藥為備用孔。

3.4 深孔預(yù)裂爆破弱化效果考察

為掌握1301 工作面采用超前深孔預(yù)裂爆破弱化頂板后的效果，為類似工程提供依據(jù)，在1301 工作面回風(fēng)順槽內(nèi)布置測點(diǎn)，觀測兩幫移近量和頂板下沉量，觀測結(jié)果見圖5。

圖5 1301 工作面回風(fēng)順槽圍巖位移量

由圖5 可知，1301 工作面采用頂板弱化技術(shù)后， 其回風(fēng)順槽頂板下沉量最大值約為26 mm，兩幫移近量最大值約為22 mm，工作面回風(fēng)順槽的圍巖位移量較小，在可控范圍內(nèi)?？梢姡?301 工作面采用頂板弱化技術(shù)大大改善了工作面的礦壓分布，改善了圍巖受力狀態(tài)。

4 結(jié)語

1）針對(duì)山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦1301 工作面頂板強(qiáng)度大，易出現(xiàn)大面積懸頂?shù)膯栴}，提出采用頂板弱化技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行預(yù)裂，從水力弱化和爆破弱化兩方面闡述了目前常用的弱化技術(shù)。

2）結(jié)合1301 工作面實(shí)際情況，決定采用深孔爆破預(yù)裂技術(shù)處理1301 工作面頂板， 分析超前深孔預(yù)裂爆破原理， 確定了爆破參數(shù)和爆破方案，并對(duì)頂板弱化效果進(jìn)行了考察，結(jié)果表明，所采用的頂板弱化技術(shù)改善了工作面的礦壓分布，減小了圍巖的位移量。