堅硬頂板預(yù)裂技術(shù)研究

張文偉

(山西焦煤西山煤電西銘礦安裝區(qū)安裝二隊，山西 太原 030052)

隨著錨網(wǎng)索支護技術(shù)的廣泛普及應(yīng)用，巷道支護技術(shù)水平的不斷提高，但在一些堅硬頂板工作面，由于巷道支護強度較高，工作面推進一定距離后采空區(qū)頂板無法及時垮落，導(dǎo)致懸頂面積增大，來壓時的強度增大，從而引發(fā)瓦斯大量涌出、巷道圍巖失穩(wěn)等事故[1-2]。針對采空區(qū)懸頂問題，國內(nèi)外學者進行了大量研究，形成了諸多成果[3-4]。目前，常用的頂板處理辦法主要通過巷道頂板退錨以及爆破切頂?shù)确椒?，但這兩種方法都有著各自的弊端，無法有效解決采空區(qū)懸頂?shù)葐栴}，仍需采取其他方法對采空區(qū)懸頂進行處理[5-6]。山西西銘礦開采煤層為8號煤，煤層上方存在一層石灰?guī)r頂板，巖層強度極為堅硬。本文以西銘礦48708工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對堅硬頂板采空區(qū)懸頂處理方法進行了研究，研究結(jié)果可為相鄰頂板巖層堅固性較高的礦井推廣。

1 工程背景

西銘礦48708工作面開采煤層為8號煤，煤層厚度平均為3.95 m，傾角平均為3°，工作面埋深在269～305 m范圍內(nèi)，煤層結(jié)構(gòu)簡單，開采范圍內(nèi)煤層覆存穩(wěn)定。工作面傾斜長度為224 m，推進長度為995 m。根據(jù)該礦井地質(zhì)條件，工作面直接頂為石灰?guī)r，巖層厚度平均為3.81 m，基本頂巖層主要為頁巖與石灰?guī)r互層，頂板完整性較好。

2 堅硬頂板力學結(jié)構(gòu)特性分析

堅硬頂板通常指巖層強度f=7～10 范圍內(nèi)巖層，巖性多為細砂巖、灰?guī)r等，這類巖層在形成過程中，受構(gòu)造發(fā)育影響較小，巖層內(nèi)基本沒有節(jié)理裂隙存在，完整性較好，致密性高[7]。對48708工作面堅硬頂板巖層進行取芯與力學特性測試，結(jié)果如表1所示。

表中數(shù)據(jù)表明，工作面石灰?guī)r頂板孔隙率以及滲透率較低，致密性極高，巖層強度較高，抵抗彎曲變形能力較強，屬于難以垮落頂板，因此工作面推進過程中，頂板無法及時垮落，易出現(xiàn)懸頂情況，導(dǎo)致頂板安全事故發(fā)生。常見的懸頂現(xiàn)象主要分為以下類型：

1) 采煤工作面端頭懸頂。采煤工作面端頭懸頂主要由于頂板受到巷內(nèi)支護以及煤柱支撐作用，不能隨著工作面推進及時垮落。當端頭大面積懸頂垮落時，會將采空區(qū)有毒有害氣體壓入巷道內(nèi)，造成巷道內(nèi)瓦斯含量超限，同時巖體劇烈運動有可能會引爆采空區(qū)內(nèi)積聚瓦斯，影響工作面安全生產(chǎn)。

2) 采煤工作面切眼懸頂。采煤工作面切眼懸頂主要發(fā)生在工作面初采期間，由于推進長度小，頂板暴露面積小，頂板載荷無法使其自身垮落。但隨著工作面推進長度的增大，采空區(qū)頂板暴露面積不斷增大，當頂板垮落時會發(fā)生沖擊礦壓現(xiàn)象，威脅作業(yè)環(huán)境安全。

48708工作面頂板主要為端頭懸頂問題，有必要采取措施對懸頂問題進行處理，確保工作面正常生產(chǎn)。

3 現(xiàn)場試驗

由于48708工作面堅硬頂板較難垮落，采用單一技術(shù)方法無法有效達到放頂效果，基于此現(xiàn)狀，采用淺孔定向爆破和CO2復(fù)合氣體頂板預(yù)裂相結(jié)合方法對懸頂問題處理。

采用淺孔定向爆破和CO2復(fù)合氣體頂板預(yù)裂技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)堅硬頂板在切頂線處及時斷裂，降低煤柱承受載荷，避免懸頂大面積垮落所造成的劇烈礦壓現(xiàn)象，碎脹的矸石在采空區(qū)側(cè)形成一定厚度的墊層，從而對上覆巖層起到支撐作用，減緩其旋轉(zhuǎn)變形，優(yōu)化了相鄰巷道圍巖應(yīng)力和結(jié)構(gòu)，緩解了應(yīng)力集中問題，減小圍巖變形量。

3.1 淺孔定向爆破預(yù)裂

定向爆破預(yù)裂技術(shù)利用巖體抗拉強度低的特性，采用雙向聚能拉伸爆破技術(shù)來實現(xiàn)對頂板的定向切割。定向爆破預(yù)裂需在切眼內(nèi)施工一定角度的爆破鉆孔，將特定規(guī)格的藥包裝入爆破鉆孔內(nèi)，采用有設(shè)定方向聚能效應(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。

根據(jù)48708工作面條件，在超前支架外距煤柱幫0.2 m處，采用YTP-26型風鉆打一列定向預(yù)裂炮孔，炮孔間距為0.5 m，孔深為3 m，預(yù)裂炮孔與頂板垂直，當炮孔進入第三組、第四組超前支架時裝藥放定向預(yù)裂炮，爆破預(yù)裂鉆孔布置如圖1所示。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，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，封口時用木炮棍封嚴搗實炮孔。爆破參數(shù)如表2所示。

表2 爆破參數(shù)

3.2 CO2復(fù)合氣體頂板預(yù)裂

CO2復(fù)合氣體頂板預(yù)裂技術(shù)原理是利用CO2由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)換的特性實現(xiàn)預(yù)裂頂板作用，通過在壓裂管中裝入液態(tài)CO2，經(jīng)過化學加熱，將液態(tài)CO2迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，此過程中CO2體積將迅速膨脹，高能CO2氣體瞬間從壓裂管噴氣孔里爆發(fā)出來，從而達到預(yù)裂頂板效果。CO2復(fù)合氣體本身沒有爆炸性，具有抵制爆炸和燃燒的作用。當溫度小于31 ℃、壓力小于7.2 MPa時，CO2覆存狀態(tài)主要為液態(tài)，1.0 kg液態(tài)CO2吸收60.0 kJ的熱量才能氣化。當溫度超過35 ℃時，無論壓力多大，液態(tài)CO2將在40 ms內(nèi)氣化，因此在壓裂管中加入發(fā)熱裝置，熱反應(yīng)過程在完全密閉且充滿液態(tài)CO2的主體內(nèi)腔中進行，震動和撞擊均無法激活發(fā)熱裝置，因此該設(shè)備的充裝及運輸、正常存放和安裝使用具有較高的安全性。CO2復(fù)合氣體預(yù)裂孔布置如圖2所示。

圖2 CO2復(fù)合氣體預(yù)裂孔布置示意

工作面回采前進行CO2預(yù)裂，每次超前預(yù)裂范圍為200 m。預(yù)裂鉆孔從48708工作面單軌吊巷超前支架5 m外開始布置，施工至工作面停采線附近停止。鉆孔布置2列，呈三花布置。第一列切頂孔距煤柱幫1 m，第二列鉆孔距煤柱幫4 m，每列鉆孔間距為1 m。鉆孔孔徑D113 mm，孔深40 m。鉆孔與切眼夾角為0°，鉆孔與水平傾角35°，向采空區(qū)方向偏移，鉆孔布置如圖3所示。鉆孔采用ZDY-4000L坑道式液壓鉆機施工，所有鉆孔進行CO2預(yù)裂，當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垮落。

圖3 CO2復(fù)合氣體預(yù)裂鉆孔布置示意

3.3 試驗效果

采用上述采空區(qū)頂板處理方案，在48708工作面初采期間進行了試驗，并對工作面礦壓顯現(xiàn)情況進行了監(jiān)測。根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果，48708工作面初采期間，工作面初次來壓步距平均為21.6 m，周期來壓步距平均為14.6 m，工作面兩端頭頂板懸頂面積不大于2×5 m2，并且工作面回采期間未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，該結(jié)果表明上述方案試驗效果較好，能夠有效解決工作面懸頂問題。

4 結(jié) 語

本文以西銘礦48708工作面條件為基礎(chǔ)，采用理論分析、現(xiàn)場試驗的方法，對堅硬頂板預(yù)裂技術(shù)進行了研究，主要結(jié)論如下：

1) 48708工作面上覆石灰?guī)r頂板，巖層強度較高，抵抗彎曲變形能力較強，屬于難以垮落頂板，頂板多以端頭懸頂現(xiàn)象為主。

2) 采用淺孔定向爆破和CO2復(fù)合氣體頂板預(yù)裂相結(jié)合技術(shù)，對48708工作面頂板懸頂問題進行了處理，根據(jù)試驗結(jié)果，該方案能夠有效解決工作面頂板懸頂問題。