堅(jiān)硬難垮落頂板的處理方式研究

陳自新

（神華寧煤集團(tuán) 靈州建井工程公司，寧夏 靈武 751410）

所謂堅(jiān)硬難垮落頂板是指：巖石強(qiáng)度大、整體性好、厚度大、具有較強(qiáng)的自承能力，煤層開(kāi)采后可形成大面積懸頂?shù)碾y垮落的頂板。對(duì)于此類(lèi)頂板，以往常用煤柱支承法開(kāi)采（包括房柱法、刀柱法等），其優(yōu)點(diǎn)是：開(kāi)采直接成本較低，頂板控制工程量小；但問(wèn)題是：煤炭損失大(主要是面積損失)，并有大面積來(lái)壓威脅。為解決此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了采煤方法的改進(jìn)試驗(yàn)和頂板弱化處理試驗(yàn)，將難垮落頂板改變?yōu)檩^易垮落頂板，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壁機(jī)械化開(kāi)采。

1 堅(jiān)硬難垮落頂板的巖層力學(xué)性質(zhì)

堅(jiān)硬難垮落頂板的力學(xué)特性是由多種因素形成的，其巖層有整體性好、強(qiáng)度大、厚度大、彈性模量大等特點(diǎn)。這類(lèi)頂板多為砂巖、砂頁(yè)巖、石灰?guī)r，少數(shù)為礫巖。一般來(lái)說(shuō)，堅(jiān)硬難垮落頂板巖石的單軸抗壓強(qiáng)度大于60 MPa，也有高達(dá)200 MPa以上的。

堅(jiān)硬巖石的破壞通常表現(xiàn)為脆性破壞。破壞前變形很小，有較高的彈性模量，但當(dāng)應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限后，出現(xiàn)突發(fā)性破壞。堅(jiān)硬巖石的彈性模量多在12.0 GPa以上。巖層整體性強(qiáng)，也是決定堅(jiān)硬頂板難垮落的主要原因。有些頂板巖石的抗壓強(qiáng)度并不很高，但卻由于整體性很強(qiáng)、節(jié)理裂隙不發(fā)育分層厚度大，也表現(xiàn)出堅(jiān)硬難垮落頂板的礦壓特征。例如，大同礦區(qū)的2號(hào)煤層頂板的厚層礫巖頂板，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度一般為30～50 MPa，它比其它層位的砂巖頂板強(qiáng)度還低一些，但因其整體性很強(qiáng)，很少有明顯的節(jié)理、裂隙、層理等弱面，成為大同礦區(qū)最難垮落的頂板，可懸露上萬(wàn)平方米的面積，常形成強(qiáng)烈的采場(chǎng)來(lái)壓。再者，一些強(qiáng)度較高的頂板巖石（如部分石灰?guī)r），如果節(jié)理裂隙發(fā)育、分層厚度小，同樣可隨采隨冒，不會(huì)形成強(qiáng)烈的來(lái)壓顯現(xiàn)。所以，劃分堅(jiān)硬難垮落頂板類(lèi)型，一般應(yīng)包括：巖石的力學(xué)指標(biāo)、巖體的結(jié)構(gòu)特征和工程指標(biāo)。

2 堅(jiān)硬難垮頂板工作面的礦壓顯現(xiàn)特征

1）大面積垮落特征。堅(jiān)硬難垮落頂板在煤層采出后，當(dāng)懸露面積較大時(shí)，才突然垮落。20世紀(jì)80年代前，我國(guó)的大同、北京、烏魯木齊、棗莊等礦區(qū)大都采用刀柱采煤法管理頂板。每回采一定距離后，在采空區(qū)內(nèi)留設(shè)一定面積的煤柱支承頂板。這種方法可基本保證工作面回采期間頂板不垮落。但是，隨著開(kāi)采面積的不斷擴(kuò)大，所留煤柱應(yīng)力逐漸增大，終被壓酥破壞。當(dāng)采空面積達(dá)到一定范圍時(shí)，常常發(fā)生大面積垮落，造成劇烈的動(dòng)力現(xiàn)象。

2）堅(jiān)硬難垮落頂板工作面的初次來(lái)壓特征。工作面從切眼開(kāi)始推進(jìn)回采，當(dāng)懸露較大面積后才突然破斷垮落，工作面出現(xiàn)強(qiáng)烈的來(lái)壓顯現(xiàn)。堅(jiān)硬難垮落頂板工作面初次來(lái)壓的另個(gè)特點(diǎn)是一次斷裂、垮落的巖層厚度大；冒斷厚度可達(dá)10～25 m，甚至更大。垮落巖石的塊度大，有的塊度可達(dá)十幾立方米，甚至幾十立方米。堅(jiān)硬難垮落頂板工作面初次來(lái)壓的第三個(gè)特點(diǎn)是來(lái)壓強(qiáng)度大，動(dòng)載系數(shù)高；大面積的懸頂一次性斷裂垮落時(shí)，產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊載荷，常損壞工作面的支護(hù)設(shè)備，甚至造成人員傷亡等惡性事故。

3）堅(jiān)硬難垮落頂板的周期來(lái)壓特征。堅(jiān)硬難垮落頂板工作面初次來(lái)壓后，隨著工作面的推進(jìn)，支架后方常形成較長(zhǎng)的頂板懸臂，有時(shí)可達(dá)20～30 m，最大達(dá)到55 m。由于堅(jiān)硬難垮落頂板的巖石破斷角較小，直接頂垮落后形成的矸石墊層很薄，有時(shí)甚至根本沒(méi)有墊層，致使未垮落懸頂與垮落的矸石堆沒(méi)有任何力學(xué)聯(lián)系，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。當(dāng)懸臂達(dá)到一定極限長(zhǎng)度時(shí)，才會(huì)斷裂和垮落，使工作面造成強(qiáng)烈的周期來(lái)壓顯現(xiàn)。堅(jiān)硬難垮落頂板工作面的周期來(lái)壓特點(diǎn)是：來(lái)壓步距大、動(dòng)載系數(shù)高；來(lái)壓時(shí)常對(duì)支護(hù)設(shè)備造成動(dòng)載破壞，甚至危及人身安全。

3 堅(jiān)硬難垮頂板的處理方法

3.1 注水弱化堅(jiān)硬頂板

1）頂板高壓注水。首先使用鉆機(jī)向頂板打深孔，其次插入注水管后封孔，最后經(jīng)注水管向孔內(nèi)注高壓水，利用高壓水使頂板壓裂。向深孔注高壓水的作用就是對(duì)頂板的完整性進(jìn)行破壞，增加頂板的原始裂隙，使水流通過(guò)頂板中的裂隙更好地滲流，從而降低了頂板強(qiáng)度。再者，水壓的變化可使頂板巖體內(nèi)應(yīng)力的分布改變，可使巖體產(chǎn)生塑化作用。

2）頂板靜壓注水。對(duì)頂板注水使頂板巖體吸水后，巖體中的部分礦物質(zhì)溶解，巖層間粘結(jié)性減小，頂板巖體強(qiáng)度就會(huì)降低，可使頂板提前垮落，減小了老頂來(lái)壓時(shí)的強(qiáng)度。但是這種方法有局限性，并不是所有巖性的頂板都適合。

3.2 爆破弱化堅(jiān)硬頂板

頂板上打孔后，在孔內(nèi)裝上適當(dāng)?shù)恼ㄋ帲缓蠓饪妆疲瑥亩茐牧隧敯宓耐暾裕谏细矌r層作用下，可使頂板斷裂。爆破弱化頂板的方法有：循環(huán)式淺孔放頂、步距式深孔爆破、超前深孔預(yù)裂爆破、地面深孔放頂。

4 工程實(shí)例

山西長(zhǎng)治某礦，開(kāi)采15號(hào)煤層，煤層均厚4.3m，直接頂為0.4～0.9m的炭質(zhì)泥巖，老頂為7～8m的石灰?guī)r。根據(jù)礦井地質(zhì)條件，對(duì)堅(jiān)硬頂板的處理方法討論如下：

1）由于不同巖石注水后的強(qiáng)度變化不一樣，有的強(qiáng)度降低得多，有的強(qiáng)度降低卻很少。根據(jù)試驗(yàn)室試驗(yàn)15號(hào)煤層石灰?guī)r頂板吸水率較低，且高壓注水壓裂與注水軟化周期長(zhǎng)。因此15號(hào)煤層頂板處理方法不宜選用注水弱化的方法處理頂板。

2）循環(huán)式淺孔爆破，要在切頂線處從支架后部向頂板打眼，打孔與裝藥存在很大困難，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。步距式深孔爆破，需沿工作面向頂板偏向采空區(qū)方向打孔、裝藥，也存在較大困難。由于工作面打孔與裝藥影響生產(chǎn)，因此循環(huán)式淺孔架后強(qiáng)制放頂和步距式深孔爆破的方案均不可取。

3）地面深孔爆破，從地面垂直向下打孔至采區(qū)頂板位置，其鉆孔深度較大，打孔工程量大；并由于地面打孔，鉆孔經(jīng)過(guò)地面表土層，鉆孔成孔率相對(duì)較低（甚至無(wú)法成孔），孔易變形，影響裝藥質(zhì)量，可能出現(xiàn)裝藥不連續(xù)，甚至無(wú)法爆破到煤層頂板。

4）超前深孔預(yù)裂爆破在專(zhuān)用巷道（工藝巷）進(jìn)行施工，不影響工作面正常生產(chǎn)，有利于工作面生產(chǎn)能力的實(shí)現(xiàn)。故在專(zhuān)用巷道進(jìn)行施工具有方便、簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，長(zhǎng)治15號(hào)煤層頂板選用開(kāi)切眼切槽處理和順槽深孔超前預(yù)爆破方法進(jìn)行弱化處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，堅(jiān)硬頂板處理的方法可有：注水弱化和爆破弱化。由于煤礦與煤礦的不同地質(zhì)條件、頂板弱化方案也會(huì)不同，應(yīng)按工作面頂板的巖性、經(jīng)濟(jì)成本、方案安全性等確定頂板弱化的方法。超前深孔松動(dòng)爆破不影響工作面生產(chǎn)，且效果較明顯，應(yīng)用的較廣些。

[1]高木福.堅(jiān)硬頂板處理步距的數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25(5)：649-651.

[2]黃晉兵.王臺(tái)礦井綜采工作面處理堅(jiān)硬頂板技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(9)：4-7.