采煤工作面堅硬厚頂板放頂技術(shù)及策略

（山西古縣西山鴻興煤業(yè)有限公司 山西 042404）

堅硬厚頂板一般是指在薄層的直接頂上面或煤層上方直接賦存厚層堅硬的礫巖、砂巖或石灰?guī)r（分層厚度一般大于5m），其一般具有完整度高、結(jié)構(gòu)致密、裂隙不發(fā)育等特點，極易出現(xiàn)大面積垮落現(xiàn)象，不僅會誘發(fā)頂板災(zāi)害，而且還會對礦井安全生產(chǎn)帶來不利影響。在采煤工作面具體施工過程中，堅硬厚頂板一般會采用強制放頂技術(shù)，如預(yù)裂爆破放頂技術(shù)、定向水力壓裂放頂技術(shù)，將會對其進行全面、系統(tǒng)的分析和研究，以期為后續(xù)采煤工作面的施工奠定良好的基礎(chǔ)。

1.工作面頂板強制放頂技術(shù)

通常情況下，在采煤工作面堅硬厚頂板整體垮落時，往往會懸露幾萬到十幾萬m2，如果大面積的頂板一旦在極短時間內(nèi)出現(xiàn)冒落現(xiàn)象，將會產(chǎn)生比較嚴重的沖擊破壞力，甚至還有可能瞬時擠出已采空間的空氣，形成巨大的暴風(fēng)，產(chǎn)生更大的破壞力。

對于采煤工作面堅硬厚頂板斷裂而言，其一般存在如下現(xiàn)象：（1）煤幫出現(xiàn)明顯片幫與受壓現(xiàn)象；（2）頂板斷裂音響和聲響的頻率增大；（3）底板出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，或者順煤柱附近的底板出現(xiàn)了裂縫；（4）頂板下沉速度和工作面中支柱載荷明顯增大；（5）上下平巷出現(xiàn)了明顯的超前壓力；（6）有時采空區(qū)頂板會出現(xiàn)明顯的淋水或裂縫加大現(xiàn)象。

在采煤工作面堅硬厚頂板強制放頂過程中，還需要借助地音儀、微震儀和超聲波地層應(yīng)力儀來給予準(zhǔn)確預(yù)測，在對歷次冒頂預(yù)兆特點給予綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合儀器預(yù)測結(jié)果，對大面積冒頂做出科學(xué)、準(zhǔn)確的預(yù)報，以免誘發(fā)不必要的災(zāi)害，確保采煤工作面施工的順利進行。

2.采煤工作面堅硬厚頂板強制放頂技術(shù)類型

(1)預(yù)裂爆破放頂技術(shù)

對于采煤工作面堅硬厚頂板而言，預(yù)裂爆破放頂技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其主要包括循環(huán)淺孔拉槽、端部拉槽和中部拉槽3種類型，其中，循環(huán)淺孔拉槽放頂主要是指在進行工作面推進過程中沿工作面切頂線，每隔幾個循環(huán)全長打孔進行爆破放頂。端部拉槽控制放頂一般是指沿工作面開切眼全長向頂板進行打眼爆破。中部拉槽放頂一般是指在頂板中部爆破以達到縮短極限垮落步距的目的。在強制放頂過程中，要結(jié)合采煤工作面堅硬厚頂板特點來對預(yù)裂爆破放頂技術(shù)給予科學(xué)、合理的選擇，以此來達到預(yù)期的放頂效果。

例如，某煤礦3205工作面傾斜長度157m，埋深209m-341m，走向長度1384m，選擇了一次采全高綜放開采技術(shù)。該工作面主采3#煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤厚在4.82m-5.46m，平均5.31m，煤層傾角2°-6°，平均4°。在3#煤層中含有1-2層夾矸，夾矸總厚0.2m-0.4m；煤層硬度f=1-2，節(jié)理、層理屬于中等發(fā)育。采煤工作面基本頂粉砂巖，厚度在12.34m-16.46m，單軸抗壓強度達到了57.44MPa-4.62MPa，是堅硬厚頂板。在對3203工作面進行回采過程中，由于頂板來壓步距較大將不可避免的出現(xiàn)支架壓死現(xiàn)象，此時為了降低安全事故的發(fā)生率，在對3205工作面進行強制放頂時，可以選擇頂板預(yù)裂爆破技術(shù)。

通常情況下，3205工作面屬于綜采面，具有比較嚴密的支架安裝，中部拉槽和循環(huán)淺孔拉槽放頂方式無法有效進行施工，此時決定采用端部拉槽放頂方式來對采煤工作面進行初次強制放頂。在工作面開切眼內(nèi)布置拉槽地點，并確保施工場所相對安全、寬敞，待工作面安裝結(jié)束后開始進行拉槽放頂施工。沿3205工作面切眼全長對炮孔進行布置，最好中部開始逐步向頭尾進行放頂炮孔的施工，共計14組，其中上下端頭放頂孔為每組3個，剩下的為每組2個炮孔。3205工作面選擇了成孔直徑為65mm的ZYJ-269/168型架柱式液壓回轉(zhuǎn)鉆，此時要求所有炮孔仰角為60°左右，設(shè)計炮孔深度為 15m，炮孔間距為4.2m，炮孔裝藥量為20kg，每孔裝藥長度控制在10m左右。

在預(yù)裂爆破放頂過程中，為了有效縮短懸頂長度，降低對支架產(chǎn)生的沖擊載荷，一般需要在工作面初次來壓后，并且在第一次周期來壓之前，對3205工作面頂板采用兩巷步距式爆破斷頂法，以此來提高爆破強制放頂處理效果。實際上，為了確保運輸平巷和回風(fēng)平巷中取決比較理想的步距式強制放頂效果，所有步距放頂孔一般需要按每組2個孔進行布置，孔深控制在15m，水平轉(zhuǎn)角為50°和70°，仰角為50°和70°，順著工作面推進方向每隔5m需要對炮孔進行布置，分2層設(shè)計來開展爆破強制放頂，該過程中最好選擇毫秒延時分層起爆。在預(yù)裂爆破放頂過程中，要確保放頂?shù)呐诤颓醒鄯彭斉诳拙哂邢嗤膮?shù)，即：炮孔深度為15m，孔徑65mm，炮孔裝藥量為20kg，裝藥長度10m，封孔長度5m，兩巷放頂炮孔布置如圖1所示。

圖1 3205工作面兩巷炮孔布設(shè)方案

(2)定向水力壓裂放頂技術(shù)

定向水力壓裂技術(shù)在采煤工作面堅硬厚頂板中也比較常用，其一般會在巖體中形成方位預(yù)設(shè)的初始定向裂縫，其將會直接決定巖層裂隙走向。借助高壓水在較短時間內(nèi)，沿預(yù)先切割的初始裂縫將巖體破裂，形成具有一定形狀和尺寸的分層或塊體，其壓裂原理如圖2所示。

圖2 定向水力壓裂原理

通常情況下，定向水力壓裂技術(shù)可以實現(xiàn)對堅硬厚頂板的切斷或分層，并使圍巖和巖層結(jié)構(gòu)的完整性遭到破壞，以確保高集中應(yīng)力的有效釋放與轉(zhuǎn)移，這樣不僅可以提高能量傳遞時的衰減程度，而且還可以對沖擊地壓發(fā)生的能量條件和應(yīng)力條件給予有效控制。大量的調(diào)查與統(tǒng)計得知，在足量的水壓和足夠高的壓力情況下形成的分層面即所謂的拉裂面，其半徑能夠達到10m-25m，可以使巖石物理屬性發(fā)生改變。水力壓裂系統(tǒng)一般是由高壓管路系統(tǒng)、高壓泵、及配套設(shè)備組成，如圖3所示。其中配套設(shè)備又包括了封孔壓裂器、定向切槽刀具、高壓管路、鉆孔窺視儀、壓力表、流量等。

圖3 水力壓裂系統(tǒng)組成示意圖

定向水力壓裂放頂技術(shù)的施工流程如下：①施工鉆孔。在設(shè)計位置選擇與之相匹配的鉆機進行施工，以期獲得鉆孔深度滿足壓裂要求；②切割初始裂縫。在鉆孔內(nèi)，選擇定向切割刀具來對初始定向裂縫進行切割，選擇鉆孔窺視儀來對初始裂縫的走向和位置進行觀測，并對其是否滿足壓裂需求進行評估；③封孔。將高壓管、封孔器，推送到鉆孔底部，以實現(xiàn)與流量計、壓力表、控制閥等管路系統(tǒng)的有效連接；④注水壓裂。啟動高壓泵，將水注入到鉆孔內(nèi)進行壓裂，該過程中需要對壓力表的壓力變化給予實時監(jiān)測，如果壓力明顯降低時，則反映高壓水基本上進入壓裂巖層，此時還需要繼續(xù)維持注水壓力一段時間，以確保裂縫充分擴展。該方法既可以提高采煤工作面堅硬厚頂板放頂效果，而且還可以確保工作面高效、安全回采。

3.結(jié)束語

綜上所述，對于采煤工作面堅硬厚頂板而言，在進行煤礦開采時，要結(jié)合實際情況合理選擇放頂技術(shù)，并按照要求做好采煤工作面頂板支柱支護質(zhì)量和動態(tài)監(jiān)測工作，對發(fā)現(xiàn)的安全隱患要及時采取措施給予解決，這樣不僅可以確保采煤工作面施工的順利進行，而且還可以提高煤礦開采效率。