堅(jiān)硬頂板綜采面端頭懸頂處理技術(shù)應(yīng)用

高 旭

（西山煤電集團(tuán)股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

1 工作面概況

西銘礦48705 工作面走向長度1 700 m， 傾斜長度220 m，開采8#煤層。 8#煤層煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上中部夾一層0.80～3.50 m，平均2.42 m 厚的泥巖或砂質(zhì)泥巖夾矸，煤層總厚度3.95～7.6 m，平均5.76 m，其中上分層厚度0.50～0.70 m， 平均0.63 m， 下分層厚度2.65～3.40 m，平均2.95 m，屬單一穩(wěn)定的中厚煤層。

根據(jù)煤層結(jié)構(gòu)， 工作面兩順槽本應(yīng)該托夾矸布置，但由于煤層上中部夾矸松軟、易碎，特別是采煤時(shí)頂板管理困難，故兩順槽均采用沿直接頂布置。 由于直接頂為石灰?guī)r， 平均厚度達(dá)3.08 m， 頂板完整性好，極為堅(jiān)硬。 經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)機(jī)頭機(jī)尾采空區(qū)懸頂面積大于2×5 m2。 導(dǎo)致采空區(qū)懸頂下大面積瓦斯積聚，頂板及上覆巖層的重量施加到留設(shè)煤柱上，嚴(yán)重影響相鄰巷道穩(wěn)定。 由于該盤區(qū)瓦斯涌出量較大，回采前必須將相鄰工作面順槽掘出， 作為瓦斯治理巷道，回采期間相鄰巷道受動(dòng)壓影響較大，給相鄰巷道帶來大量的維修工程的同時(shí)，懸空頂板大面積垮落所造成的急增壓[1]，成為重大安全隱患。

為此，采取措施，讓采煤工作面端頭頂板在回采過程中及時(shí)垮落，從而消除瓦斯積聚危害，釋放頂板壓力， 減小下一工作面相鄰巷道圍巖壓力，避免巷道變形，具有十分重要的意義。

2 控制綜采工作面端頭懸頂方案

2.1 打眼放震動(dòng)炮定向爆破預(yù)裂卸壓

以往對頂板的管理是采用在兩端頭架前打眼放震動(dòng)炮， 待放炮區(qū)域進(jìn)入采空區(qū)后使頂板垮落。這樣造成的結(jié)果如下：

（1）在兩端頭架前打眼放炮影響工作面的正?；夭蒣2]，耽誤生產(chǎn)，且存在一定安全隱患。

（2）當(dāng)采取措施時(shí)，懸頂面積已經(jīng)大于2×5 m2，待放炮區(qū)域進(jìn)入采空區(qū)后，懸頂面積會(huì)更大。 措施采取不及時(shí)且無法制定施工循環(huán)。

（3）采用留設(shè)煤柱護(hù)巷回采，當(dāng)回采工作面頂板進(jìn)入采空區(qū)垮落不充分，不規(guī)律，直接影響相鄰巷道壓力過大，導(dǎo)致回采相鄰工作面時(shí)，需要擴(kuò)幫拉底施工，工作量增大[3]。

（4）懸空頂板大面積垮落所造成的急增壓，端頭懸頂面積大導(dǎo)致瓦斯積聚， 對安全帶來了更大的隱患。

該方案人工、材料投入雖然較少，但實(shí)施起來既耽誤生產(chǎn)，懸頂問題又未得到有效處理，給安全帶來了隱患。 因此，不采用該方案。

2.2 淺孔定向爆破預(yù)裂和預(yù)打密集切頂卸壓孔

為確保在割煤移架后利用頂板自身的重量及上覆巖層的載荷， 使頂板在回采過程中及時(shí)垮落，采用提前在超前支架段對頂板進(jìn)行淺孔定向爆破預(yù)裂和預(yù)打密集切頂卸壓孔的方法卸壓，減小下一工作面相鄰巷道圍巖變形。

（1）淺孔定向爆破預(yù)裂堅(jiān)硬頂板

利用巖石耐壓怕拉的特性，采用雙向聚能拉伸爆破技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對頂板的定向切割，將特定規(guī)格的藥包裝入按一定角度在兩個(gè)設(shè)定方向有聚能效應(yīng)的聚能裝置，藥包起爆后，炮孔壁在非設(shè)定方向上均勻受壓，而在設(shè)定方向上集中受拉，致使巖體按設(shè)定方向拉裂成型；定向爆破的應(yīng)用增加了爆破自由面， 使得炮孔連線方向上的切向應(yīng)力顯著增加，提高了炮孔間裂隙貫通率和炸藥能量利用率[4]。

根據(jù)西銘礦實(shí)際地質(zhì)條件，在超前支架外距煤柱幫0.2 m 處采用YTP-26 型風(fēng)鉆打一列定向預(yù)裂炮孔，最終確定孔距為0.5 m，孔深為3 m，淺孔預(yù)裂炮孔與頂板垂直，當(dāng)炮孔進(jìn)入第三、第四組超前支架時(shí)裝藥放定向預(yù)裂炮。 從孔底聚能管開始裝藥并安設(shè)雷管和引線， 采用正向裝藥， 每孔裝藥2卷(每卷200 g)，裝好藥后，之后用聚能爆破定向桿調(diào)整聚能管切縫方向與巷道方向一致，調(diào)整完畢后裝水炮泥，再用黃土封口，封口時(shí)用木炮棍封嚴(yán)搗實(shí)炮孔，具體頂板預(yù)裂爆破技術(shù)參數(shù)及單軌吊巷道切頂預(yù)裂炮眼布置分別見表1、圖1。

表1 頂板預(yù)裂爆破孔技術(shù)參數(shù)

圖1 單軌吊巷道切頂預(yù)裂炮眼布置

（2）預(yù)打切頂眼弱化堅(jiān)硬頂板

為解決端頭“三角懸板”問題，破壞裂隙發(fā)育不完全及堅(jiān)硬頂板的整體性， 降低頂板抗拉強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)頂板隨支架推移及時(shí)垮落，減小懸頂面積，達(dá)到卸壓目的，在巷道內(nèi)采用對頂板預(yù)打密集切頂卸壓孔的方法[5]，更加有利于頂板管理。

隨工作面的推進(jìn)，在超前支架外5 m 內(nèi)，距煤柱幫0.2 m 處打切頂卸壓孔眼距0.4 m， 排距2.4 m，眼深3.0 m。 卸壓孔垂直于頂板。 當(dāng)回采通過切頂卸壓孔后， 利用頂板自身的重量及上覆巖層的載荷，使頂板及時(shí)垮落在回采過程中，具體切頂卸壓孔布置見圖2。

圖2 單軌吊巷道切頂卸壓孔布置

提前在超前支架段對頂板進(jìn)行定向預(yù)裂爆破和切頂卸壓，弱化堅(jiān)硬頂板的方法，提前施工不影響生產(chǎn)，但人工、材料投入多。

（3）主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

利用雙向聚能定向爆破技術(shù)，在不破壞超前段頂板完整性的前提下，對頂板進(jìn)行定向切割，同時(shí)結(jié)合切頂線方向打密集切頂卸壓孔施工，這樣既實(shí)現(xiàn)采空區(qū)懸頂不大于2×5 m2， 又能確?；仫L(fēng)隅角瓦斯不超限，保證安全生產(chǎn)。

①采用定向爆破技術(shù)，對堅(jiān)硬頂板進(jìn)行定向切割，很好地保護(hù)了頂板的完整性。

②在切頂線方向打密集孔， 同時(shí)對頂板卸壓，在割煤移架后利用頂板自身的重量及上覆巖層的載荷，頂板能及時(shí)垮落。 保證了采空區(qū)懸頂面積不大于2×5 m2，有效地控制頂板面積，防止了瓦斯積聚。

③運(yùn)用雙向聚能定向爆破，極大地保護(hù)了煤柱和相鄰巷道，為相鄰工作面的開采提供了有效的安全保障。

④相比端頭強(qiáng)制放頂，現(xiàn)在超前架前進(jìn)行切頂卸壓施工，避免與生產(chǎn)相沖突，從而大大地提高了工作效率。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過在支架端頭預(yù)打設(shè)頂眼弱化頂板及定向爆破預(yù)裂頂板，在不采取強(qiáng)制放頂放炮措施的前提下，解決了工作面端頭懸頂面積過大的問題。 解決了工作面端頭頂板難以垮落的難題，工作面端頭的壓力明顯降低，有效地防止了工作面端頭懸頂突然垮落及瓦斯超限帶來的安全隱患。

1）工作進(jìn)度效益。 未采取措施前，由于頂板垮落不及時(shí)，機(jī)尾懸頂造成大面積瓦斯積聚，工作面停機(jī)狀態(tài)時(shí)上隅角瓦斯0.6%以上， 開機(jī)后瓦斯易超限報(bào)警，為防止瓦斯超限致使采煤機(jī)無法提高牽引速度，平均一刀煤的截割時(shí)間為120 min，按0.8 m截深每天6 刀組織，回采該工作面需要354 天。 工作面推進(jìn)速度較慢。

2）采煤量效益。 采用切頂卸壓措施后，頂板能夠及時(shí)垮落， 停機(jī)狀態(tài)時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛?.2%左右，這樣采煤機(jī)割煤速度能適當(dāng)提高，從原來每天6刀煤，提高為每天7 刀煤，平均90 min 一刀煤。 回采該工作面需要303 天，能提前51 天結(jié)束。 平均每天產(chǎn)量增加850 t。

3）安全效益。 按照集團(tuán)公司規(guī)定，工作面端頭懸頂面積超過10 m2不垮落， 會(huì)受到直接經(jīng)濟(jì)處罰。 另外工作面推進(jìn)后，若不對端頭堅(jiān)硬頂板進(jìn)行及時(shí)處理，頂板就會(huì)出現(xiàn)突然垮落，極易損壞工作面設(shè)備，甚至造成人員傷亡。

4 結(jié)語

在不破壞工作面端頭超前段頂板完整性的前提下，對頂板進(jìn)行定向爆破切割，同時(shí)結(jié)合切頂線方向打密集切頂卸壓孔卸壓，不僅保護(hù)了煤柱和相鄰巷道，避免了與生產(chǎn)相沖突。 該技術(shù)在48705 工作面實(shí)踐過程中的應(yīng)用效果好，既實(shí)現(xiàn)采空區(qū)懸頂不大于2×5 m2，又能確保回風(fēng)隅角瓦斯不超限，保證安全生產(chǎn)，社會(huì)效益顯著。