堅硬頂板弱化后礦壓顯現(xiàn)規(guī)律探討

張江波

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 沁水 048214）

我國煤炭資源儲量豐富，但賦存較為復雜，由于煤層賦存條件的不同，使得煤層頂板呈現(xiàn)不同的巖性。 堅硬頂板是指煤層頂板由砂巖、頁巖等質地堅硬巖層組成，在開采過程中由于巖性較為堅硬，采空區(qū)頂板難以垮落，易形成大面積的懸頂，一旦懸頂發(fā)生垮落，將會導致工作面支護嚴重破壞[1-2]。對于留煤柱開采的礦井，堅硬頂板會造成相鄰工作面間煤柱尺寸大幅度增加，降低采區(qū)回采率；而對于無煤柱開采的礦井，由于堅硬頂板的存在使得工作面預留巷道的變形增大，造成支護成本增高。 所以，對堅硬頂板進行治理是礦井開采的重要研究課題[3]之一。有眾多學者對堅硬頂板治理作出過研究，謝海博等人[4]為了解決堅硬頂板難垮難落的問題，利用數(shù)值模擬軟件對不同應力差、鉆孔直徑和預制裂縫角下巖石的起裂特征進行研究，給出了不同施工參數(shù)下的巖石起裂特征，為礦井安全生產作出一定的貢獻。 目前我國研究頂板弱化較多是針對頂板弱化參數(shù)進行研究，較少研究治理后的礦壓顯現(xiàn)情況，所以本文以玉溪煤礦1301 工作面為研究對象，通過現(xiàn)場實踐對堅硬頂板弱化工藝及弱化后的礦壓規(guī)律進行研究，為礦井安全開采提供一定的借鑒。

1 背景介紹及弱化施工

1.1 背景介紹

玉溪煤礦為年產2.4 Mt 的新建礦井及配套選煤廠項目，位于沁水縣胡底鄉(xiāng)玉溪村，井田面積26.147 km2，批準開采3#煤層，地質儲量216 Mt，可采儲量135 Mt。 煤層厚度5.8～6.2 m，平均厚度6.1 m。 煤層底板約1 m 位置發(fā)育0～0.5 m厚夾矸一層，煤層頂板以下約1 m 位置發(fā)育0.1～0.5 m 厚軟煤。 開采煤層為近水平煤層，煤層傾角為0°～10°，平均傾角為3°。 頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 頂板巖性

1.2 頂板弱化施工

玉溪煤礦1301 工作面采用深孔爆破方式進行頂板弱化，在切眼支架位置向上鉆兩排鉆孔，鉆孔深度25 m，鉆孔直徑75 mm，鉆孔間排距1 000 mm×1 000 mm；A 組爆破眼與切眼進行平行布置，B 組布設在煤壁側夾角為45°的位置。弱化的炸藥選定為乳化炸藥，采用全孔裝藥且密封長度不小于鉆孔深度的2/5，對A、B 兩組鉆孔進行依次起爆，切眼處頂板鉆孔布置，如圖1 所示。

圖1 切眼處頂板鉆孔布置

頂板巖層弱化具體施工步驟按照如下順序：①進行頂板鉆孔；②裝入乳化炸藥；③進行鉆孔封閉；④對爆破孔進行連線；⑤按照爆破順序起爆。同時在每組爆孔處留設備用炮孔，避免由于鉆孔塌陷出現(xiàn)無法裝藥的現(xiàn)象。

2 礦壓監(jiān)測

完成頂板弱化后，對弱化效果進行分析。 首先對觀測點進行布設，在綜采工作面的液壓支架前柱上布置一臺壓力傳感器，布設液壓支架臺數(shù)為10，液壓支架編號分別為10#、20#...100#，壓力傳感器將采集到的液壓支架壓力數(shù)據(jù)通過通訊網絡傳輸至地面調度室，從而進行統(tǒng)計分析。 頂板弱化的監(jiān)測指標主要為巖層裂縫擴展及頂板的來壓情況。 經過頂板弱化后首先利用YTJ20 窺探儀對頂板裂隙擴展情況進行觀察，可以看出在弱化前頂板周邊巖層整體較為平整，巖層內部未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫；而當經過頂板弱化后，此時的巖層出現(xiàn)貫通裂縫，巖層的整體性被破壞，此時巖層整體強度降低，表明堅硬頂板弱化技術能夠有效地降低工作面頂板的強度，從而達到使堅硬頂板隨采隨落的目的，有效保障了工作面的安全，弱化前后巖層內部裂隙擴展情況，如圖2 所示。

圖2 堅硬頂板弱化前后窺探

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出，工作面初次來壓范圍存在一定的差異，中部巖層的頂板初次來壓步距大于兩端巖層；當工作面推進至18 m 時，此時工作面液壓支架的工作阻力出現(xiàn)明顯上升，此時堅硬巖層內部出現(xiàn)斷裂，工作面10 臺液壓支架工作阻力瞬間增大；而當工作面推進至22 m 的位置時，此時巖層內部的斷裂現(xiàn)象減小，液壓支架的工作阻力開采持續(xù)穩(wěn)定，此時可以認為工作面初次來壓完成。 由此可知，經過弱化后頂板的初次來壓步距約為18 m，當工作面推進至18 m 時，此時的支架動載系數(shù)均值約為1.74，初次來壓時工作面會出現(xiàn)微小的片幫，但整體完整性較好，同時來壓步距較未弱化前的32 m 有了大幅度地降低，工作面支架動載系數(shù)整體屬于合理范圍，軟化較為成功。 工作面推進至18 m 時支架動載系數(shù)如圖3 所示。

圖3 工作面推進至18 m 時支架動載系數(shù)

對工作面老頂周期來壓進行檢測，通過檢測數(shù)據(jù)，對3 次工作面覆巖周期來壓得平均動載系數(shù)及周期來壓的影響范圍進行研究，周期來壓動載系數(shù)及影響范圍如圖4 所示。

圖4 周期來壓動載系數(shù)及影響范圍曲線

從圖4 可以看出，工作面上部覆巖堅硬頂板的平均周期來壓步距約為10.9 m，而中部堅硬頂板的平均周期來壓步距約為13.2 m，下部堅硬頂板的平均周期來壓步距約為12.3 m，整體周期來壓步距呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在覆巖中部頂板位置周期來壓步距最大。 同時在工作面上部、中部、 下部的立柱平均動載系數(shù)依次為1.69、1.74、1.71，動壓系數(shù)呈現(xiàn)出中部最大，下部次之，上部最小的趨勢。 可以看出經過弱化后堅硬頂板的周期來壓步距縮短較為明顯，且動載系數(shù)整體處于合理范圍，頂板弱化效果較佳。

3 結論

1）對玉溪煤礦1301 工作面采用深孔爆破方式進行頂板弱化的施工工藝進行分析，給出了具體的施工順序及施工參數(shù)。

2）利用YTJ20 窺探儀對頂板裂隙擴展情況進行觀察，發(fā)現(xiàn)經過頂板弱化后，巖層出現(xiàn)貫通裂縫，整體性被破壞，達到頂板弱化目的。

3）經過對頂板弱化后初次來壓步距進行分析，發(fā)現(xiàn)初次來壓步距從原有的32 m 降低至18 m，且動載系數(shù)整體處于合理范圍。

4）經過弱化后堅硬頂板的周期來壓步距縮短較為明顯，工作面頂板中部動載系數(shù)最大，頂板弱化效果較佳。