突出煤層放頂煤綜采面頂板預(yù)裂卸壓技術(shù)的探索與應(yīng)用

何曉軍 張艷雷 馬世峰

1.礦井及采面概況

1.1礦井概況

河南平禹煤電公司方山礦二1煤新井（以下簡稱方山新井）位于河南省禹州市西30km方山鎮(zhèn)，南距方山鎮(zhèn)約3km。

方山新井主采二1煤層，二1煤自燃性等級(jí)為Ⅲ類，屬不易自燃煤層。二1煤層煤塵爆炸指數(shù)為15.06%，屬有爆炸危險(xiǎn)的煤層。二1煤層屬于Ⅲ～Ⅳ類破壞煤體且為突出煤層，礦井為煤與瓦斯突出礦井。

二1煤層直接頂板多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，偶為粉砂巖或炭質(zhì)泥巖，基本頂一般為中粒長石石英砂巖（Sd），多屬不穩(wěn)定巖層，且部分地段尚有偽頂存在，厚度小于0.50m，易于垮落。直接底板以砂質(zhì)泥巖為主、次為粉砂巖也屬不穩(wěn)定巖層，老底多為粉砂巖，偶為砂質(zhì)泥巖或細(xì)粒砂巖。

方山新井水文地質(zhì)類型為中等型，不受地溫條件影響。無沖擊地壓等影響。

1.2二1-11061綜采面概況

二1-11061綜采面為放頂煤回采工藝。設(shè)計(jì)可采長度610m，傾斜長152m。二1-11061機(jī)巷、切眼沿煤層頂板施工，二1-11061風(fēng)巷為采空區(qū)沿底施工。工作面煤層標(biāo)高-18m～-53m，埋深479～623m。

該采面煤厚6.5-11m，平均煤厚8m，煤層傾角平均為15°，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f為0.12-0.19，可采儲(chǔ)量110萬噸。原始瓦斯含量5.7512m3/t—23.9m3/t，原始瓦斯壓力0.2—0.62Mpa，經(jīng)區(qū)域瓦斯治理后，實(shí)測(cè)區(qū)域內(nèi)煤層殘余瓦斯含量3.0891-5.5250m3/t、殘余瓦斯壓力0.01Mpa。

隨著綜采面的推進(jìn)，頂板砂巖巖性致密、厚度大，煤層松軟、厚度大，頂板難跨落。工作面初采時(shí)，由煤層頂板逐步進(jìn)入煤層底板，在穿煤層過程中，存在頂板初次垮落步距大，壓力顯現(xiàn)大等問題，工作面前方煤壁內(nèi)的壓力出現(xiàn)過度集中，致使煤壁破壞范圍擴(kuò)大形成嚴(yán)重片幫，或頂板突然垮落，瞬間擠壓出采空區(qū)的氣流，造成瓦斯超限;甚至可能直接壓垮支架造成事故，或者壓出煤體及瓦斯造成煤與瓦斯突出事故。

2.二1-11061綜采面頂板預(yù)裂卸壓技術(shù)方案

2.1預(yù)裂卸壓原理

通過聚能管與普通礦用炸藥的有效結(jié)合，改變了爆轟波與圍巖相互作用的動(dòng)力學(xué)過程：即炸藥爆炸后沿聚能方向形成切向拉應(yīng)力，爆轟壓力最大限度地轉(zhuǎn)化為對(duì)圍巖的張拉作用，從而使沿巷道軸向方向形成有效的預(yù)裂面。

2.2二1-11061綜采面頂板預(yù)裂卸壓方案設(shè)計(jì)

二1-11061綜采面采用以“頂板預(yù)裂卸壓”為主體的設(shè)計(jì)方案，在工作面原切眼處實(shí)施切頂卸壓預(yù)裂爆破技術(shù)，達(dá)到切斷老頂砂巖，減弱工作面支架壓力及巷道頂板壓力的目的，實(shí)現(xiàn)突出煤層綜采面放頂煤開采和工作面機(jī)巷沿空留巷。

2.2.1切眼頂板預(yù)裂卸壓設(shè)計(jì)

為減弱初采來壓強(qiáng)度，降低對(duì)二1-11061回風(fēng)尾巷掘進(jìn)及初期留巷的動(dòng)壓影響，增加切眼三角區(qū)的冒落充填效果，對(duì)切眼130m范圍的切眼實(shí)施切頂卸壓。（如圖1）

預(yù)裂鉆孔深度與采高、頂板下沉量及底鼓量有關(guān)，一般通過如下方式確定：

H縫=（H煤-ΔH1-ΔH2）/（k-1）

式中：ΔH1：頂板下沉量，m;

ΔH2：底臌量，m;

k：碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

綜合考慮頂板巖性分布、施工效率及出采要求，切眼預(yù)裂孔深度設(shè)計(jì)為H縫=18m。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)施條件，預(yù)裂孔布置在距非回采幫1000mm處，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)施條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，偏向回采側(cè)與鉛垂線夾角為5°，預(yù)裂孔間距為700mm。（如圖2）;采用φ27mm×430mm藥卷進(jìn)行裝藥，采用3+3+3+3+ +2+2+1+1+1的裝藥方式（每孔10發(fā)雷管，爆破孔口采用炮泥封孔，封孔長度不小于3.5m。

首先根據(jù)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行爆破試驗(yàn)，確定合理的裝藥量和封泥長度，采用單孔起爆方式起爆，觀察兩相鄰裝藥孔內(nèi)裂紋情況。如兩裂縫率及頂板完成情況滿足要求，再進(jìn)行兩孔、三孔……連續(xù)爆破試驗(yàn)，最終確定一次爆破孔數(shù)以及爆破方式等。

雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42mm，內(nèi)徑為36.5mm，管長1500mm。受深孔高應(yīng)力及鉆孔角度偏差影響，孔底難劈裂，因而炮孔底部裝藥量大，裝藥量約為3～4卷，炮孔口處裝藥量小，裝藥量約為1～2卷。聚能爆破采用三級(jí)乳化炸藥，擬采用炸藥規(guī)格為Φ27×430mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。雷管串聯(lián)連接，一根裝藥聚能管使用一個(gè)雷管，具體裝藥參數(shù)需通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

每孔10根聚能管，首先采用3+3+3+3+2+2+2+1+1+1的裝藥方式（如圖4），每節(jié)聚能管炸藥需要1個(gè)雷管，每孔需要10個(gè)雷管，但需要根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況具體調(diào)整，爆破孔口采用專用炮泥封孔，封孔長度3500mm。

2.2.2機(jī)巷預(yù)裂卸壓設(shè)計(jì)

動(dòng)載模擬結(jié)果顯示10-20°有利于巷道穩(wěn)定，較小的預(yù)裂角度可以減少頂板懸臂梁長度，最終為了有更好的切頂卸壓效果，預(yù)裂角度最終設(shè)計(jì)為15°。

為了切斷采用雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，預(yù)裂鉆孔位于巷道頂板中心線，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)施條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整位置，預(yù)裂孔間距設(shè)計(jì)為700mm。（如圖7）。

聚能爆破采用三級(jí)乳化炸藥，擬采用炸藥規(guī)格為Φ27×430mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。雷管串聯(lián)連接，一根裝藥聚能管使用一個(gè)雷管，具體裝藥參數(shù)如圖4所示。

3.施工過程設(shè)計(jì)

3.1爆破鉆孔施工

按照設(shè)計(jì)要求，使用專門設(shè)計(jì)的無煤柱自成巷液壓鉆車或者錨桿鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)裂孔的施工，以巷道中線為基準(zhǔn)，準(zhǔn)確標(biāo)出各鉆孔位置，鉆孔表面布置在一條直線上，鉆孔間距700mm。調(diào)整鉆機(jī)位置，使鉆機(jī)鉆臂（即鉆桿）在三維空間上與水平面90°，與上述鉆孔連線垂直;使用?48mm的專用鉆頭，按照上述角度及鉆孔標(biāo)注位置準(zhǔn)確定位，并進(jìn)行鉆進(jìn)施工，鉆進(jìn)深度為18000mm，準(zhǔn)確操作鉆機(jī)，保證成孔平直度。

3.2爆破施工

按照設(shè)計(jì)要求，頂板預(yù)裂爆破采用聯(lián)孔爆破試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行頂板預(yù)裂爆破施工，在施工完的爆破鉆孔中安裝BTC-1500型聚能管，外徑42mm，內(nèi)徑36.5mm，管長1500mm，每鉆孔安裝10根聚能管，聚能管捅到孔底。在聚能管中放置高威力炸藥，初定每孔20卷，藥包外徑Ф27mm，長430mm。每個(gè)聚能炮孔在裝藥前，先在巷道內(nèi)按照爆破裝藥設(shè)計(jì)參數(shù)從孔底聚能管開始連續(xù)裝藥，并安設(shè)雷管和引線，然后將引線穿過第二根聚能管，并將第二根聚能管與第一根聚能管用專用連接件連接，然后在第二根管內(nèi)開始連續(xù)裝藥并安設(shè)引線，重復(fù)按照上述方法，依次完成全部聚能管裝藥，每根聚能管設(shè)置一個(gè)雷管，未裝藥聚能管則不需雷管，串聯(lián)裝藥。孔口用炮泥封孔，封孔長度不低于3500mm。

爆破后由設(shè)計(jì)方組織人員及時(shí)對(duì)爆破效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，保證頂板裂縫率在65%以上，

3.3警戒及安全防護(hù)

3.3.1每次聚能爆破切頂孔的個(gè)數(shù)不大于15個(gè)。爆破時(shí)二1-11061風(fēng)巷內(nèi)所有人員必須撤離至二1-11061風(fēng)片防突風(fēng)門外新鮮風(fēng)流中;采面切眼及二1-11061機(jī)巷躲炮人員必須到機(jī)巷避難硐室內(nèi)，躲炮時(shí)間不少于30分鐘。在二1-11061風(fēng)片防突風(fēng)門外和二1-11061機(jī)片設(shè)置警戒點(diǎn)。

3.3.2爆破前準(zhǔn)備大板或舊皮帶對(duì)爆破地點(diǎn)及前后10米范圍的管線進(jìn)行保護(hù)，以防崩壞。防護(hù)設(shè)施必須牢固固定，綁扎采用鋼絲繩或10#以上鐵絲。

3.3.3斷電范圍：11061機(jī)巷、切眼及其風(fēng)巷及回風(fēng)下山中所有非本安型電器設(shè)備。

4.結(jié)論

2020年8月開始在二1-11061綜采面切眼、機(jī)巷處實(shí)施頂板預(yù)裂卸壓技術(shù)。并通過近10、11兩個(gè)月回采期間壓力觀測(cè)分析及曲線圖分析，實(shí)踐證明：

4.1實(shí)現(xiàn)了頂板預(yù)裂后，初次來壓步距由30m-50m縮短為6m-8m，大大降低了初次來壓強(qiáng)度，杜絕了頂板、瓦斯、沖擊等各類型災(zāi)害事故的發(fā)生。

4.2實(shí)現(xiàn)了頂板預(yù)裂后充分垮落，減少采空區(qū)的漏風(fēng)量，從根本上解決了采空區(qū)的漏風(fēng)問題，為采面的防滅火管理增加了一個(gè)新的技術(shù)手段。

4.3實(shí)現(xiàn)了采面回采過后機(jī)巷有效保留，并作為下一個(gè)接替采面風(fēng)巷重復(fù)利用，在一定程度上解決了突出礦井接替緊張的問題，對(duì)礦井安全高效可持續(xù)發(fā)展意義重大。

4.4綜采面放頂煤安全回采，實(shí)現(xiàn)了減頭減面，增產(chǎn)提效的目的，并能夠?qū)崿F(xiàn)一區(qū)一面生產(chǎn)同時(shí)提高礦井產(chǎn)量，對(duì)礦井安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化水平提高意義重大。