神農(nóng)煤業(yè)堅(jiān)硬頂板切眼預(yù)裂爆破弱化技術(shù)應(yīng)用

魏 磊

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)神農(nóng)煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

在我國(guó)能源消費(fèi)中煤炭占據(jù)主體地位，雖然國(guó)家能源結(jié)構(gòu)有所改變，但短期內(nèi)煤炭的消費(fèi)地位不會(huì)改變。我國(guó)煤礦以地下開采為主，在煤礦生產(chǎn)中，頂板事故是影響煤礦安全高效開采主要因素之一[1-2]。由于煤層賦存條件復(fù)雜多變，在一些礦井常常遇到賦存堅(jiān)硬頂板，由于頂板強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好、不易跨斷冒落，該類地質(zhì)條件下煤礦開采時(shí)，回采時(shí)期尤其是回采初期極易造成大面積懸頂現(xiàn)象，當(dāng)懸露面積較大頂板發(fā)生突然破斷，將采空區(qū)大量有害氣體瞬時(shí)沖出，造成工作面瓦斯超限，形成的沖擊氣壓對(duì)工作面造成沖擊性破壞，從而造成嚴(yán)重的煤礦生產(chǎn)事故。針對(duì)堅(jiān)硬頂板下煤層開采，一般采用頂板弱化的方式，通過弱化頂板巖層，減小頂板來壓步距。目前比較成熟的技術(shù)手段有高壓注水弱化頂板、爆破強(qiáng)制放頂、爆破預(yù)裂弱化頂板、高阻力支架切頂?shù)萚3-5]。

1 工程概況

神農(nóng)煤業(yè)15101 工作面開采15#煤層，開采區(qū)域地面標(biāo)高+1045～ +1120 m，工作面標(biāo)高+752～+777 m，埋深為293～343 m。工作面位于一采區(qū)中部，南部30 m為15102膠帶順槽，東面95.4 m為F1斷層，西部依次為一采區(qū)軌道大巷、一采區(qū)膠帶大巷、一采區(qū)回風(fēng)大巷。開采煤層厚度3.6～4.0 m，平均厚度3.79 m，無夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。頂板為灰質(zhì)泥巖、K2灰?guī)r，底板為泥巖或粉砂巖。頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 頂?shù)装鍘r層巖性特征

15101 工作面安裝支撐掩護(hù)式液壓支架101架，其中，ZZ8000/23/47 型中間架92 架，兩端頭ZZG8000/23/47 型過渡支架7 架，ZZT12000/24/45型端頭支架2 架（1 組）。15101 運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽各安裝ZQL2×5850/24/45 超前支架1 套。

2 堅(jiān)硬頂板切眼預(yù)裂爆破弱化技術(shù)

15101 工作面基本頂巖性為K2 石灰?guī)r，屬堅(jiān)硬頂板，經(jīng)計(jì)算工作面初次來壓步距為35 m，周期來壓步距為20 m。由于工作面基本頂為堅(jiān)硬頂板，在工作面回采初期極易出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象，給15101 工作面高效回采帶來極大安全隱患。為此，擬采用預(yù)裂爆破弱化技術(shù)對(duì)15101 工作面基本頂K2石灰?guī)r進(jìn)行超前弱化，以縮短工作面初次來壓步距，降低工作面初次來壓強(qiáng)度。

2.1 預(yù)裂爆破弱化頂板方案

（1）15101 工作面設(shè)備安裝前，在切眼內(nèi)距采空區(qū)幫2.5 m 處頂板打第一排孔，距采空區(qū)幫4.5 m處打第二排孔，兩排孔間排距2.0 m×2.0 m。在工作面運(yùn)輸順槽按間排距2.0 m×2.0 m 各打兩排孔。所有炮孔與頂板呈45°夾角，兩排孔分別與對(duì)應(yīng)幫呈30°夾角。切眼內(nèi)的炮孔深度為5.0 m，孔徑為40 mm，共布置128 個(gè)炮孔。

（2）切眼弱化炮孔裝藥量為2.6 kg/孔，裝藥長(zhǎng)度2.6 m，封孔長(zhǎng)度2.4 m。

（3）自工作面開切眼推進(jìn)4.8～5.4 m，對(duì)爆破鉆孔進(jìn)行裝藥爆破。

（4）起爆作業(yè)在15101 運(yùn)輸順槽中進(jìn)行，從15101 回風(fēng)順槽側(cè)向15101 運(yùn)輸順槽側(cè)分5 次依次裝藥爆破。

2.2 工作面頂板控制注意事項(xiàng)

（1）基本頂初次破斷之前，加強(qiáng)觀測(cè)工作面端頭及15101 回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽超前范圍（20 m）的頂板控制情況。

（2）基本頂初次破斷之前，工作面移架作業(yè)充分實(shí)現(xiàn)少降快移，同時(shí)，升架后保證支架初撐力。

（3）預(yù)計(jì)工作面推進(jìn)30 m 時(shí)，將出現(xiàn)初次來壓現(xiàn)象，來壓期間，保證支架充分接頂，初撐力不低于24 MPa。

（4）預(yù)計(jì)每推進(jìn)20 m 左右，將出現(xiàn)周期來壓現(xiàn)象，來壓期間，加強(qiáng)頂板控制管理，保證支架充分接頂，初撐力不低于24 MPa。

（5）保證工作面液壓支架及端頭超前支架初撐力不低于24 MPa，加強(qiáng)中部及端部過渡支架工作阻力觀測(cè)，保證工作面頂板控制質(zhì)量，預(yù)防冒頂事故發(fā)生。

（6）加強(qiáng)工作面端頭頂板巖層控制，端頭超前支架與過渡支架頂梁之間的間距應(yīng)小于1 m。

（7）加強(qiáng)工作面采動(dòng)礦壓觀測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確掌握采場(chǎng)礦壓現(xiàn)象和規(guī)律。

（8）加強(qiáng)液壓支架維護(hù)，避免出現(xiàn)漏液、串液現(xiàn)象，保證支架支撐力。

3 工作面礦壓規(guī)律與頂板弱化控制效果分析

在15101 工作面開切眼處采用堅(jiān)硬頂板切眼預(yù)裂爆破弱化技術(shù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)了支架受力變化情況。表2 給出了10 個(gè)觀測(cè)站的礦壓觀測(cè)匯總數(shù)據(jù)。由表可知，工作面初次來壓步距為20.99～24.90 m，平均來壓步距為22.65 m，初次來壓強(qiáng)度為28.64～38.41 MPa，平均來壓強(qiáng)度33.98 MPa，平均動(dòng)載系數(shù)1.42；工作面周期來壓步距16.82～21.09 m，平均來壓步距18.62 m，周期來壓強(qiáng)度為25.17～32.25 MPa，平均來壓強(qiáng)度28.32 MPa，平均動(dòng)載系數(shù)1.18。

表2 礦壓觀測(cè)匯總表

根據(jù)鄰近工作面礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果，鄰近工作面平均初次來壓步距35.46 m，來壓強(qiáng)度36.78 MPa。采用堅(jiān)硬頂板切眼預(yù)裂爆破弱化技術(shù)，初次來壓步距減小了56.6%，來壓強(qiáng)度降低了7.6%。采用該技術(shù)后，有效縮短了工作面初次來壓步距，降低了工作面初次來壓強(qiáng)度，避免因工作面回采初期大面積懸頂造成安全事故，表明了堅(jiān)硬頂板切眼預(yù)裂爆破弱化技術(shù)的優(yōu)越性和合理性。效果對(duì)比如圖1。

圖1 頂板弱化控制效果對(duì)比圖

4 結(jié)論

工作面賦存強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好、不易垮斷冒落的堅(jiān)硬頂板，回采初期極易造成大面積懸頂現(xiàn)象，給礦井安全生產(chǎn)帶來隱患。為此，提出采用預(yù)裂爆破方法提前破壞堅(jiān)硬頂板結(jié)構(gòu)，避免采空區(qū)形成大面積懸頂現(xiàn)象?；诖耍O(shè)計(jì)了預(yù)裂爆破弱化頂板方案。礦壓觀測(cè)結(jié)果顯示，采用該技術(shù)后，初次來壓步距減小了56.6%，初次來壓強(qiáng)度降低了7.6%，表明了堅(jiān)硬頂板切眼預(yù)裂爆破弱化技術(shù)的優(yōu)越性和合理性。