開元礦堅(jiān)硬頂板工作面深孔預(yù)裂技術(shù)研究

王 宏

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 生產(chǎn)技術(shù)處,山西 太原 030022)

對于采煤工作面而言，煤層上方若賦存有巨厚堅(jiān)硬頂板將威脅生產(chǎn)安全。工作面推進(jìn)時(shí)，因頂板不能及時(shí)垮落，頂板懸露產(chǎn)生的集中應(yīng)力和積聚的勢能會(huì)引發(fā)煤壁片幫、支架工作阻力增高等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅工作面的生產(chǎn)安全。因此，需及時(shí)采取頂板劣化卸壓技術(shù)消除風(fēng)險(xiǎn)威脅，保證采場覆巖結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，曾有諸多學(xué)者對此進(jìn)行了研究[1-4]。

開元礦9814工作面上覆巨厚細(xì)粒砂巖基本頂，若采面回采前未采取頂板劣化措施，初采初放期間極易出現(xiàn)頂板懸露現(xiàn)象。懸露頂板的突然垮落帶來的積聚能量的突然釋放產(chǎn)生動(dòng)力沖擊，引起煤壁片幫、支架壓死，隅角瓦斯超限等，威脅工作面生產(chǎn)安全。針對工作面實(shí)際條件，提出提前在開切眼采取深孔預(yù)裂技術(shù)對頂板進(jìn)行劣化處理，以抑制頂板懸露引起的能量積聚現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計(jì)了爆破炮孔布置方式與布置參數(shù)并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 工程背景

開元礦9814工作面位于9號煤二水平八采區(qū)，工作面標(biāo)高為+740～+755 m，埋深-395～-435 m，采用綜合機(jī)械化大采高一次采全高采煤工藝，全部采用垮落法管理頂板。工作面沿煤層傾向布置，沿煤層走向推進(jìn)，走向長度為566 m，傾斜長度為220 m。工作面北部為9711采空區(qū)，東鄰正在回采的9712工作面，南靠9713設(shè)計(jì)工作面，西接9號煤八采區(qū)系統(tǒng)巷和9804采空區(qū)。工作面開采9號煤層，煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度為4.9～6.1 m，平均厚度為5.3 m，煤層傾角平均為4°。工作面上覆厚達(dá)7.07 m的砂巖基本頂，頂板賦存情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

由于9814工作面上覆厚達(dá)7.07 m的砂巖基本頂，初采初放期間厚硬砂巖基本頂會(huì)在采空區(qū)后方懸露，工作面易發(fā)生煤壁片幫、支架壓死等現(xiàn)象；同時(shí)工作面采高5.3 m，而直接頂厚度僅2.41 m，直接頂垮落后采空區(qū)充填率較低，基本頂無法形成鉸接結(jié)構(gòu)，基本頂呈臺(tái)階式破斷，頂板的突然破斷產(chǎn)生的動(dòng)力沖擊能量會(huì)威脅采面人員設(shè)備的安全，亟需采取措施解決采面安全生產(chǎn)。

2 深孔預(yù)裂頂板卸壓技術(shù)

2.1 頂板劣化技術(shù)確定

針對采煤工作面堅(jiān)硬頂板引起的懸頂隱患，專家學(xué)者已研究出了一系列的頂板劣化技術(shù)，以去除礦井生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)威脅，常用的頂板劣化技術(shù)包括注水劣化和爆破劣化兩類。

1) 注水劣化。注水劣化技術(shù)根據(jù)注水壓力的區(qū)別分為：高壓注水劣化和靜壓注水劣化。高壓注水劣化是通過高壓水流拓展圍巖原生裂隙，弱化巖體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)完整，是目前主體巖體劣化技術(shù)之一，現(xiàn)場應(yīng)用效果反饋良好；靜壓注水劣化技術(shù)適用于具有較強(qiáng)吸水性的巖體，通過提高巖體的含水率，利用巖石遇水弱化、崩解等性能特點(diǎn)降低巖體強(qiáng)度，但該方法局限性較大。

2) 爆破劣化。爆破劣化技術(shù)為通過鉆孔爆破來劣化圍巖結(jié)構(gòu)完整及力學(xué)性能，主要分為3類：循環(huán)式淺孔放頂、超前深孔預(yù)裂爆破和地面深孔放頂，三種爆破技術(shù)中深孔預(yù)裂爆破綜合技術(shù)優(yōu)勢最為明顯。

綜上分析，盡管水力劣化技術(shù)具有明顯的安全性和經(jīng)濟(jì)性，但其實(shí)施周期太長，影響礦井生產(chǎn)進(jìn)度。根據(jù)9814回采工作面現(xiàn)場條件，綜合考慮后決定在9814工作面采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對基本頂進(jìn)行劣化處理，該處理方式可及時(shí)有效控制頂板冒放參數(shù)，降低頂板懸露跨度，控制采場來壓程度。

2.2 深孔預(yù)裂爆破卸壓技術(shù)簡介

深孔預(yù)裂爆破卸壓技術(shù)即在工作面開切眼或兩巷內(nèi)向煤層頂板打預(yù)裂鉆孔，通過爆破的能量沖擊破壞頂板巖體的結(jié)構(gòu)完整，頂板圍巖受爆破沖擊后產(chǎn)生爆破裂縫，圍巖力學(xué)性能被劣化，從而實(shí)現(xiàn)對釋放頂板壓力、預(yù)防能量積聚的目的，原懸露的砂巖頂板將隨采面推進(jìn)及時(shí)垮落，可有效控制采場來壓步距，抑制動(dòng)力沖擊現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 深孔爆破基本參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 預(yù)裂爆破角度。鉆孔角度會(huì)對鉆孔的施工長度和劣化高度設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，同時(shí)為保證藥卷不會(huì)發(fā)生下滑，保證劣化效果，綜合考慮后設(shè)計(jì)鉆孔角度為45°。

2) 預(yù)裂爆破高度。鉆孔長度決定預(yù)裂爆破的對頂板劣化的效果，需根絕劣化卸壓目標(biāo)巖層的賦存參數(shù)確定。根據(jù)9814工作面布置參數(shù)，直接頂厚度為2.41 m，基本頂厚度為7.07 m，為了保證基本頂被充分劣化，設(shè)計(jì)鉆孔劣化高度為9.5 m，則鉆孔長度為13.5 m。

3) 預(yù)裂爆破鉆孔間距。爆破鉆孔間距設(shè)計(jì)需考慮爆破裂隙區(qū)直徑，由于裂隙拓展由巖石力學(xué)性能及炸藥的威力綜合決定。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)效果，設(shè)計(jì)鉆孔間距為6 m，選用2號煤礦許用乳化炸藥。

4) 爆破循環(huán)步距。爆破的循環(huán)步距需在保證預(yù)裂效果的前提下適量設(shè)計(jì)，若鉆孔工程量過大會(huì)影響大工作面進(jìn)尺。綜合考慮9814工作面的開采設(shè)計(jì)、地質(zhì)條件等因素，結(jié)合已有的現(xiàn)場開采經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)爆破循環(huán)步距為18 m。

深孔預(yù)裂爆破的鉆孔布置平面見圖1，鉆孔施工參數(shù)見表2。

圖1 深孔預(yù)裂爆破鉆孔布置(mm)

表2 預(yù)裂爆破鉆孔施工參數(shù)

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果

通過深孔預(yù)裂爆破措施的實(shí)施，砂巖基本頂原先完整的巖層結(jié)構(gòu)被破壞，力學(xué)性能被劣化，因頂板懸露引起的應(yīng)力集中和能量積聚得以釋放，緩解了煤壁及支架承受的載荷。為驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)施效果，對工作面頂板來壓情況進(jìn)行監(jiān)測分析。

在9814工作面液壓支架安裝完成后，開始在開切眼內(nèi)實(shí)施深孔預(yù)裂爆破措施。措施實(shí)施后，頂板能清晰看出爆破裂縫。隨著采面推進(jìn)，基本頂能夠及時(shí)破斷垮落。礦壓觀測數(shù)據(jù)顯示，9814工作面基本頂?shù)某醮纹茢嗑嚯x為23.9 m，周期破斷距離為18.5 m。對支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)上的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出在基本頂板來壓期間，支架工作阻力仍存在富余。工作面頂板初次來壓情況見圖2。

圖2 工作面初次來壓步距統(tǒng)計(jì)

根據(jù)工作面礦壓觀測結(jié)果，認(rèn)為深孔預(yù)裂爆破措施的實(shí)施成效明顯，可有效控制砂巖頂板及時(shí)垮落，同八采區(qū)已采工作面的初次來壓步距47.3 m相比，降低了23.4 m，緩解了煤壁和支架承受的載荷，抑制煤壁片幫、壓架現(xiàn)象的發(fā)生，保證了采面生產(chǎn)安全。

4 結(jié) 語

1) 針對9814堅(jiān)硬頂板工作面頂板懸露問題，為避免潛在生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，保證采場礦壓穩(wěn)定，提出采取深孔預(yù)裂爆破卸壓措施對頂板進(jìn)行劣化處理。

2) 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，深孔預(yù)裂技術(shù)能有效對厚硬頂板進(jìn)行劣化，使頂板及時(shí)垮落。工作面來壓平穩(wěn)，初次來壓步距僅為23.9 m；抑制了煤壁片幫、壓架現(xiàn)象的發(fā)生，支架工作阻力在可控范圍內(nèi)，保障了工作面的安全生產(chǎn)。