高效無聲破碎劑在煤礦強制放頂工藝中的應用

呂聲瑞

煤礦在生產過程中，綜采工作面在推進過程中上下隅角頂板不能及時垮落，尤其是厚層堅硬頂板，當超過一定極限時會發生大面積垮落而造成劇烈動壓現象，從而引起頂板事故[1]，同時因工作面上隅角頂板不能及時垮落，導致工作面上隅角極易發生瓦斯積聚，影響工作面正常推進，且容易引發瓦斯事故。因此，采用高效方法進行堅硬頂板強制放頂對工作面的安全生產有著至關重要。

1 工作面概況

1211綜采工作面位于一采區北翼，北面為安則村保安煤柱線，南面為一采區開拓大巷，東面為1209工作面，西面為1213工作面。工作面回采2#上，2#上煤位于山西組上部，2#煤上10 m左右，煤厚在1.1～1.5 m，平均厚度1.35 m，屬薄煤層，煤層傾角為2°～15°，平均傾角8°。工作面走向長度為1246 m，傾斜長度為160 m，工作面采用走向長壁后退式回采，全部垮落法管理頂板，選用ZY4000-08/18L型支撐掩護式液壓支架作為基本架（104架），ZY3200-12/29型掩護式液壓支架作為端頭架（4架），共108架。

表1 1211工作面頂底板情況

2 工作面端頭處老頂垮落機理

端頭是指回采工作面與工作面運輸巷和回風巷接合的部位。老頂破斷后，隨著工作面的推進，端頭頂板發生周期性的斷裂。回采工作面的端頭作業主要是在直接頂下完成。而直接頂又受老頂的制約。端頭的老頂變形和破斷與不同支承條件下的矩形薄板結構類似，使端頭老頂形成兩鄰邊固支，另一弧形斜邊自由的孤三角懸板結構。當頂板達到極限跨距時，在固支邊與自由邊交點處彎矩最大，導致破斷；隨著工作面的推進，懸板不斷發生有規律的破斷。其破斷始于兩端最大彎矩處，并沿著弧形主應力線方向擴展[2]。

3 1211綜采工作面回風隅角懸頂原因分析

1211綜采工作面兩巷采用錨桿、錨索支護，由于錨桿、錨索支護的懸吊作用，此作用力作用在弧三角懸板上，使工作面的直接頂與老頂形成一個較為嚴密的統一體，加之工作面老頂為厚8 m砂巖，自然加大了端頭采空區側的懸頂面積，極大地超過了2 m×5 m的規定，成為生產過程中頂板管理的一大隱患。

4 高效無聲破碎劑預裂頂板技術

4.1 施工工藝

（1）鉆孔施工范圍：

工作面上隅角切頂線至切頂線以南5 m范圍內（頂板無離層條件下可在超前支護外提前施工鉆孔）。

（2）鉆孔施工參數∶

① 直接頂為砂質頁巖

鉆孔垂直于巷道布置，鉆孔間距300 mm，孔徑42 mm，孔深2500 mm，排距2000 mm，每排鉆孔布置呈一條直線，鉆孔與采空區方向水平面呈75°夾角，由北向南逐排施工，因10209運巷西側幫布置有兩趟瓦抽管路，影響鉆孔施工，故靠西側幫1 m范圍內未布置鉆孔。

圖1 頂板為砂質頁巖時破碎劑鉆孔位置（單位/mm）

② 直接頂為砂巖

鉆孔布置分為垂直于巷道和順巷道布置，參數如下：

a、垂直于巷道鉆孔參數：鉆孔間距250 mm，孔徑42 mm，孔深2500 mm，排距1000 mm，每排鉆孔布置呈一條直線，鉆孔與采空區方向水平面呈75°夾角，由北向南逐排施工。

b、順巷道鉆孔參數：鉆孔距西側幫1000 mm，鉆孔間距250 mm，孔徑42 mm，孔深2500 mm，鉆孔沿巷幫布置呈一條直線，鉆孔與頂板呈90°，由北向南逐個施工。

圖2 頂板為砂巖時破碎劑鉆孔位置（單位/mm）

（3）施工用具及護具

名稱 規格型號錨桿機 MQT-130/2.8鉆桿 B19×0.8合金鋼鉆頭 Φ42mm高強度阻燃抗靜電編織袋 長×寬=300mm×53mm

（4）破碎劑充填工藝：

①浸泡

先將破碎劑干料裝入規格為300 mm×53 mm的阻燃抗靜電編制袋中，再將一個操作循環所需要的藥卷浸入水中直至停止冒氣泡 （水灰重量比為1∶4），從水中取出等待充填（浸水后的破碎劑必須在10 min內充填至孔中，否則將影響破碎效果）。

②充填

垂直巷道眼由西向東（順巷道眼由北向南）逐孔進行充填。單孔充填時，將藥卷逐根密實地裝填到孔中并分別搗實。裝藥深度為孔深的95%，孔口使用破碎劑潮料封實。

（5）工程施工中的安全措施和注意事項

① 無關人員不得進入施工現場，充填完成后，人員不得站立在孔口下方。

② 在破碎劑的裝袋和充填施工時，必須戴防護眼鏡和橡膠手套，充填后到裂縫發生前孔口下方不得站人，且不得對孔口直視，以防破碎劑噴出傷害眼鏡。

③ 沖孔時藥劑溫度較高且有腐蝕性，沖入眼內可能會對角膜造成嚴重損害。藥劑進入眼內和皮膚上，應立即用清水沖洗。情況嚴重者立即送醫院清洗治療。

④ 人員嚴禁進入隅角切頂線采空區側進行觀測，防止矸石垮落傷人。

4.2 效果分析

（1）回風隅角頂板垮落程度

工作面回風隅角在未使用破碎劑預裂前，采空區懸頂面積平均15～20 m2，在使用該技術后，懸頂面積可保持在0～8 m2之間，采空區頂板多數沿破碎劑孔貫穿的裂縫折斷下沉，表明頂板垮落情況良好。

（2）回風隅角瓦斯情況

通過采用高效無聲破碎劑預裂頂板技術進行上隅角強制放頂，促進了工作面頂板及時垮落，回風隅角瓦斯濃度也由之前的1.2%降低為0.42%。

高效無聲破碎劑預裂頂板技術對于頂板垮落具有良好的促進作用。但是，在原巷道支護未完全回收的條件下，該技術效果不佳。因此，為確保破碎劑施工效果，巷道頂幫原支護（鎖具、錨桿螺母等）需回收完全。

5 結語

通過在1211工作面采用高效無聲破碎劑預裂頂板，從而達到強制放頂的目的，使得工作面頂板及時垮落，避免了回風隅角瓦斯積聚的現象。實踐證明，高效無聲破碎劑預裂頂板技術對于頂板垮落具有良好的促進作用。

〔1〕尉 瑞，馬 震，鄒永洺，等.綜采面堅硬頂板強制放頂技術研究[EB/OL].北京：中國科技論文在線，201107-156.

〔2〕栗成杰，李樹偉.綜采工作面端頭大面積懸頂控頂技術[J].煤炭科學技術，2008（8）：26-30.