采煤工作面端頭三角區(qū)堅硬頂板治理技術(shù)研究

楊文忠

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業(yè)有限責任公司，山西 霍州 031400）

堅硬頂板具備完整性好、強度大等特點，在煤層開采后堅硬頂板不容易垮落，從而導致采空區(qū)頂板大面積懸頂，特別是在端頭位置由于頂板受煤柱支撐，更不容易垮落[1-2]?，F(xiàn)場實踐證明，采煤工作面端頭大面積懸頂頂板突然垮落時會導致采面礦壓顯現(xiàn)異常、采空區(qū)內(nèi)有害氣體外溢、上隅角瓦斯超限及采面瓦斯超限等各種問題，給煤炭生產(chǎn)安全帶來顯著制約[3-5]。導致采煤工作面端頭頂板懸頂?shù)闹饕蛴衃6-8]：

1）頂板巖層本身堅硬，不容易垮落。

2）煤柱及錨桿、錨索對頂板支撐，使得頂板穩(wěn)定性進一步增加?，F(xiàn)階段針對端頭頂板不容易垮落問題，一般采用退錨、深孔預裂爆破或者水力壓裂等技術(shù)措施。

文中就以山西某礦31303采煤工作面為例，針對端頭頂板懸頂問題，提出用切頂爆破方法對頂板進行弱化，現(xiàn)場取得較好成果。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

山西某礦開采的13號煤層賦存條件較好，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，煤層厚度平均6.8 m，傾角5°~9°，采用綜放開采方式，全部垮落法管理頂板。31303采煤工作面為3采區(qū)第二個回采工作面，采面回采13號煤層，采面設(shè)計推進長度2 698 m、采面面長298 m。采面開采范圍內(nèi)煤層直接頂為砂巖（抗壓強度72.6 MPa）、基本頂為粉砂巖（抗壓強度75.9 MPa），底板為粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，具體頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 13號煤層頂?shù)装鍘r性

1.2 端頭頂板懸頂實測

在31303采煤工作面推進過程中，采面中部位置頂板巖層可基本垮落，但是在運輸巷及回風巷端頭位置頂板不能隨采面推進技術(shù)垮落，具體端頭位置頂板形態(tài)如圖2所示。

圖2 端頭頂板懸頂示意圖（mm）

對采面端頭位置采空區(qū)懸頂范圍進行測定，發(fā)現(xiàn)最大懸頂寬度、長度分別為5 m、15 m，懸頂面積超過30 m2，端頭位置懸頂面積大會給采面正常生產(chǎn)以及回風隅角位置瓦斯治理帶來制約。在端頭懸頂面積大、采動壓力疊加等因素作用下，巷道圍巖變形量較大，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)頂?shù)装寮跋飵妥畲笫諗苛糠謩e為66 mm、102 mm。

2 端頭堅硬頂板處理技術(shù)

文中結(jié)合以往研究成果并依據(jù)1303采煤工作面現(xiàn)場情況，提出采用爆破切頂方式對端頭懸頂堅硬頂板進行處理。

2.1 爆破切頂方案確定

為解決采面端頭堅硬頂板懸頂問題，提出在端頭位置布置鉆孔進行切頂爆破，從而降低端頭后部懸頂面積。依據(jù)現(xiàn)場情況，具體提出下述四種切頂方案：方案一，對采面端頭位置煤層直接頂切頂；方案二，對采面端頭位置煤層基本頂切頂；方案三，對采面端頭位置直接頂及基本頂切頂；方案四，對采面端頭位置煤層及基本頂切頂。

采用數(shù)值模擬軟件對上述四種不同切頂方案進行模擬分析，具體不同切頂方案下端頭堅硬頂板懸頂面積如圖3所示。

圖3 不同切頂方案下端頭堅硬頂板懸頂面積

從圖3中看出，采用方案三（對采面端頭位置直接頂及基本頂切頂）時端頭懸頂面積最小，面積為57.76 m2，較未切頂時懸頂面積（225 m2）減少約167.24 m2?？紤]到在端頭位置安裝有端頭支架且端頭支架控頂距離為7 m，端頭支架后方空頂面積則降低至7 m2，端頭處空頂面積較小，可滿足《煤礦安全規(guī)程》中關(guān)于端頭懸頂面積規(guī)定。為此，選擇對煤層直接頂及基本頂同時切頂方式對頂板進行弱化。

2.2 頂板弱化方案現(xiàn)場應用

在31303采煤工作面端頭位置向13號煤層直接頂及基本頂施工鉆孔，通過深孔爆破實現(xiàn)切頂，弱化直接頂及基本頂強度，以便實現(xiàn)端頭堅硬頂板隨采面推進及時垮落。具體布置方案：在采面端頭支架前梁位置面向采空區(qū)頂板方向施工切頂鉆孔，具體鉆孔布置如圖4所示，每組切頂鉆孔包含4個鉆孔，鉆孔孔深分別為5.1 m、7.8 m、10.8 m以及13.8 m，鉆孔仰角分別為54°、68°、74°以及77°；布置的切頂鉆孔終孔位置位于13號煤層直接頂及基本頂中。采面推進3 m布置一組切頂鉆孔，鉆孔施工完成后將乳化炸藥裝入到鉆孔孔底并進行爆破。

圖4 切頂鉆孔布置示意圖

為確保切頂爆破安全，切頂鉆孔長度控制在6 m以上；在采面端頭支架與施工的切頂鉆孔間距為0.5 m時，開始按照設(shè)計要求進行裝藥、連線以及爆破等工作。

2.3 現(xiàn)場應用效果分析

為考察采面端頭堅硬頂板切頂爆破弱化效果，對端頭頂板爆破前后端頭支架受力及圍巖變形情況進行監(jiān)測。具體端頭支架受力監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 端頭支架受力監(jiān)測結(jié)果

從圖5中看出，在對端頭堅硬頂板處理前，由于端頭處頂板懸頂面積大，從而導致端頭支架受力較大，監(jiān)測得到端頭支架受力最大為44 MPa；在對端頭堅硬頂板采用切頂爆破方式處理后，端頭液壓支架受力最大值降低35 MPa，受力明顯降低。此外，對端頭處堅硬頂板處理后，巷道圍巖收斂量有所降低，表明切頂爆破后采空區(qū)后方直接頂及基本頂分層垮落明顯，及時垮落后可降低端頭處礦壓顯現(xiàn)。

端頭頂板處理后，端頭處周期來壓步距降至10 m，同時回風隅角位置懸頂面積降至10 m2以內(nèi)，懸頂面積顯著降低有助于回風隅角位置瓦斯治理并降低進風隅角處采空區(qū)漏風量。

3 結(jié)論

1）31303采煤工作面直接頂及基本頂均為堅硬巖層，在端頭位置由于頂板受煤柱、錨桿（索）以及支架前方煤體等支撐，導致端頭處存在大面積懸頂，不僅增加采空區(qū)漏風而且導致端頭處礦壓顯現(xiàn)顯著，給采面煤炭正?；夭蓭碛绊?。

2）提出采用切頂爆破方式對端頭位置堅硬頂板進行處理，并通過數(shù)值模擬技術(shù)確定切頂爆破方案，具體對13號煤層直接頂及基本頂同時切頂。根據(jù)采面現(xiàn)場情況，制定施工技術(shù)方案，采面每推進3 m即在端頭處向采空區(qū)方向施工切頂鉆孔，對頂板進行弱化。

3）現(xiàn)場應用后，端頭位置頂板可隨著采面推進及時垮落，采空區(qū)漏風以及端頭礦壓異常顯現(xiàn)問題得以有效解決。