短長壁大傾角綜放工作面堅硬頂板超前弱化 技術(shù)研究

賈瑞榮，秦廣鵬，劉　建

(1．霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司回坡底礦，山西 霍州 041600；2．山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東 泰安 271019；3．山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)良莊礦業(yè)公司，山東 泰安 271219)

大傾角堅硬頂板是指傾角大于25°，厚度大，單向抗壓強度大于80 MPa,比較完整的煤層頂板巖層。堅硬頂板控制是煤礦采場礦山壓力研究的重要內(nèi)容之一。我國煤層賦存條件復(fù)雜，賦存著堅硬頂板的煤層約占三分之一左右，據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)有38%的綜采工作面屬于來壓強烈的堅硬頂板[1-4]。大傾角煤層由于上覆巖層傾角較大，上覆巖層壓力及巖層自重垂直于層理方向的應(yīng)力分量較小，相對于近水平煤層的頂板更加難以垮落。以博斯坦煤礦為工程背景，研究大傾角堅硬頂板超前預(yù)裂技術(shù)，構(gòu)建該工程地質(zhì)條件下的堅硬頂板超前預(yù)裂體系，對大傾角硬厚頂板工作面的安全開采有一定程度的借鑒和指導(dǎo)意義。

1　工作面概況

博斯坦煤礦坐落于吐魯番盆地邊緣，礦井1131綜放工作面回采3-3煤層，煤層平均厚度8.4 m，平均傾角30°，含夾矸0～3層，結(jié)構(gòu)簡單～較簡單，為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。工作面傾斜長度62 m，運輸平巷走向長1 137 m，回風(fēng)平巷走向長1 144 m。工作面上部為采空區(qū)，下部為未開采區(qū)域，煤層埋藏深度為314～305 m，煤層相對瓦斯涌出量3.32 m3/t。工作面采用單一走向長壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。頂板以硅質(zhì)膠結(jié)的灰白色砂礫巖為主，次為灰白色粗砂巖、中砂巖，工作面頂板巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1　1131工作面綜合柱狀圖

1131工作面煤層直接上覆較難垮落的7.73 m中砂巖、9.75 m粉砂巖和26.76 m礫巖。由于工作面斜長只有62 m，并且頂板巖層節(jié)理裂隙不發(fā)育、整體性較強，因此，工作面處于直接頂缺失上覆多硬厚難冒落巖層開采狀態(tài)。

2　堅硬頂板弱化方法的選擇

通過改變巖體力學(xué)性質(zhì)實現(xiàn)對堅硬頂板進(jìn)行弱化以水力壓裂頂板為主[5-6]，通過水的壓裂和軟化，降低巖體強度和完整性，實現(xiàn)頂板充分冒落的目的。近年來，煤炭科學(xué)研究總院開采研究分院對水力壓裂機(jī)理與參數(shù)、壓裂機(jī)具與設(shè)備、壓裂效果檢測等一系列技術(shù)問題進(jìn)行了集中攻關(guān)。此外，中國礦業(yè)大學(xué)等單位也開展了水力壓裂技術(shù)研究，并應(yīng)用于堅硬頂板控制及沖擊地壓防治。但高壓注水存在效率較低、對某些類型的頂板軟化效果差等缺點，且礦井處于戈壁荒漠區(qū)域，氣候炎熱干旱，水資源匱乏，因而水力壓裂頂板的方法無法采用。

預(yù)裂爆破法破壞巖體的完整性是一種可行的頂板處理方法，增大裂隙范圍，破壞巖體的整體性，從而使頂板容易垮落[7-9]。其中超前預(yù)爆破，對回采工作面正常生產(chǎn)干擾較小，并且可以將預(yù)裂弱化選擇在頂板拉應(yīng)力最大區(qū)域和要控制頂板垮落步距位置，減少鉆孔工程量和炸藥消耗量，降低頂板處理成本。

結(jié)合礦井現(xiàn)有開采技術(shù)條件，擬采用深孔預(yù)裂爆破方法對1131工作面堅硬頂板進(jìn)行處理。初采階段工作面中部頂板垮落較好，但在工作面端部受區(qū)段煤柱及實體煤的支承作用，存在較大范圍的懸頂。因此，需要重點對端部頂板巖層進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破，有效冒落。

為最大限度的降低頂板預(yù)裂弱化對工作面生產(chǎn)工作的影響，且頂板治理的重點區(qū)域在工作面端部，擬在工作面兩區(qū)段平巷布置深孔預(yù)裂炮孔，對端部頂板進(jìn)行超前弱化，爆后可利用礦山壓力對頂板巖層的作用，促使頂板預(yù)弱化區(qū)域裂隙的進(jìn)一步發(fā)展，提高頂板的冒放性。

3　頂板破斷參數(shù)及炮孔循環(huán)爆破歩距的確定

由于該工作面基本頂強度高，工作面長度較巖層厚度大，采用薄板理論計算分析頂板運動步距。按照薄板理論所建立的頂板破斷步距的計算公式見下式。

式中：L0為巖層初次斷裂布步距;β為巖層初次斷裂指數(shù);mc為運動直接頂巖層的有效抗彎斷面的厚度，7.73 m；∑m為運動巖層的總厚度，7.73 m；r為巖層的容重，27 kN/m3；Kc為經(jīng)驗系數(shù)，取1；σt為抗拉強度，5.66 MPa；b為工作面斜長，62 m；α為煤層傾角，30°。

計算結(jié)果：β=75.8，L0=101.9 m。

硬厚中砂巖初次來壓步距約為101.9 m。堅硬頂板周期來壓歩距約為初次來壓歩距的1/3～1/2，以下位硬厚第一巖梁為基準(zhǔn)，工作面周期來壓歩距約為33.9～50.9 m之間，考慮到端頭區(qū)域受煤柱支撐作用不易垮落，其來壓歩距應(yīng)稍大，平均應(yīng)在40 m以上。

綜合考慮頂板周期破斷歩距、鉆孔難易程度、裝藥及爆破工藝的復(fù)雜程度、炮孔在空間層位的交叉以及上下端頭區(qū)域頂板垮落情況的不同等，確定工作面回風(fēng)平巷循環(huán)爆破歩距為10 m，運輸平巷循環(huán)爆破歩距為12 m。

4　大傾角堅硬頂板超前弱化技術(shù)方案與安全技術(shù)措施

4.1　炮孔布置方式

考慮到1131工作面大傾角的條件，基本頂垮落效果不理想，中部及端部均存在懸頂，但上端部更為嚴(yán)重，所以重點應(yīng)在兩巷順槽布置扇形旋轉(zhuǎn)鉆孔對端頭區(qū)域頂板進(jìn)行拉槽截斷爆破強制放頂，同時在兩巷順槽施工至工作面中部鉆孔，對工作面中部區(qū)域?qū)?yīng)頂板亦進(jìn)行相應(yīng)弱化。

4.1.1下位巖層爆破爆孔布置

針對厚煤層放頂煤開采下位巖層不斷裂垮落情況，采取扇形密集孔布置方式，如圖2所示。

炮孔開孔地點位于工作面上下順槽距煤壁40 m處。炮孔控制范圍為傾向22 m、走向8 m范圍，上順槽布置6個扇形孔，下順槽布置5個扇形孔，向工作面中部布置6#炮孔和11#炮孔，對中部頂板進(jìn)行弱化。從確保下位頂板有效碎裂角度出發(fā)，每組炮孔的間距上順槽為10 m，下順槽為12 m，從而確保范圍內(nèi)頂板能夠有效充分預(yù)裂以充填采空區(qū)。同時為了減小爆破對1131工作面頂煤完整性的破壞，巖層底部留設(shè)1.5 m保護(hù)層。

圖2　下位巖層爆破炮孔布置示意圖

4.1.2上位巖層爆破炮孔布置

上位巖層采取截斷措施，改變頂板支撐狀態(tài)，使其脫離與采區(qū)空區(qū)巖層的聯(lián)系，并且形成懸臂梁狀態(tài)，以縮小第二層頂板的垮落步距，如圖3所示。

圖3　上位巖層爆破炮孔布置平剖示意圖

在1131工作面上下順槽對上位堅硬巖層實施截斷爆破，布置扇形切斷孔。具體爆孔布置方案為第一組炮孔爆破時距工作面煤壁30 m。上下順槽每組布置四個個炮孔，其中三個較短孔的作用是沿巷道對第二巖層進(jìn)行切斷，較長爆孔的作用是對第二巖層沿傾斜方向進(jìn)行截斷，使其與采空區(qū)部分失去聯(lián)系形成懸臂梁。循環(huán)爆破階段兩組炮相隔12 m，相鄰組炮孔孔底(a#和c#，d#和f#)均留設(shè)4 m的安全距離。

4.2　預(yù)裂爆破參數(shù)

每炮孔裝藥系數(shù)不高于0.6，封孔系數(shù)不低于0.4，裝藥不耦合系數(shù)1.5，孔內(nèi)各藥卷用導(dǎo)爆索串聯(lián)，每孔兩發(fā)電雷管串接導(dǎo)爆索起爆。各孔爆破參數(shù)見表1、表2。

在計算炮孔裝藥長度及裝藥量時，考慮到礦井采用綜采放頂煤采煤方法，需要確保工作面上覆頂煤的完整性。因此，留頂煤保護(hù)層，炮孔裝藥段控制在保護(hù)層上方，施工過程中需要保證封孔質(zhì)量和封孔段長度，確保爆破過程中不出現(xiàn)沖孔，既保證預(yù)裂的效果，亦盡量避免沖孔對巷道壁及頂煤的破壞。

4.3　安全技術(shù)措施

1) 鉆孔需要嚴(yán)格按炮孔設(shè)計位置以及設(shè)計參數(shù)進(jìn)行施工，未經(jīng)技術(shù)人員審批不得隨意變更設(shè)計參數(shù)；在施工過程中精確鉆進(jìn)，合理操作，保證炮孔的精度；確保濕式打眼，鉆孔完畢認(rèn)真清洗炮孔，在孔口表明實際孔深。

2) 鉆孔裝藥前檢查炸藥保質(zhì)期，裝填炮頭前，必須認(rèn)真檢測、 導(dǎo)通雷管；導(dǎo)爆索與藥卷要貼合緊密，雷管與導(dǎo)爆索綁扎牢靠，避免脫落，小心固定送至炮孔孔底。

3) 炮孔間聯(lián)線要確保接頭清潔，認(rèn)真懸掛聯(lián)線及檢測爆破網(wǎng)路，避免短路、漏聯(lián)，實測網(wǎng)路電阻與計算值不得相差較大，否則應(yīng)檢查爆破網(wǎng)路。

4) 靠近炸藥串的專用堵孔水泥及靠近孔口的專用堵孔水泥長度均不得小于0.5 m；中部充填的黃土細(xì)砂按配比由封孔器輸送至孔內(nèi)；專用堵孔水泥由人工頂推至孔內(nèi)并搗實。

表1　下位巖層爆破參數(shù)表

表2　上位巖層爆破參數(shù)表

5) 每個炮孔在孔口處應(yīng)預(yù)留不小于0.2 m的空段，放置富余的導(dǎo)爆索及電雷管，最后用炮泥將孔口預(yù)留段封堵密實，防止電雷管以及堵孔水泥外的少量導(dǎo)爆索起爆時所產(chǎn)生火焰外泄。

6) 炮孔內(nèi)裝藥末端與巷道煤壁的距離不得小于10 m；超前預(yù)爆破地點超前回采工作面的距離不得小于15 m；由于礦井為瓦斯礦井并且一次起爆藥量較大，裝藥過程中作業(yè)區(qū)域需要全面斷電并且警戒距離必須大于100 m；起爆時，井下所有人員撤離至地面方再進(jìn)行井下起爆。

7) 每組炮孔爆破前，提前將工作面以及上下順槽內(nèi)的浮煤與煤塵清理干凈；爆破前，確保工作面支架接頂良好，初撐力不低于額定工作阻力的80%，支架工作狀態(tài)良好。

8) 嚴(yán)格執(zhí)行“一炮三檢”制度，爆破前隨時檢測作業(yè)區(qū)域以及炮孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛龋坏贸蓿槐坪蠹訌娡L(fēng)，保證通風(fēng)時間，不得冒失進(jìn)入作業(yè)區(qū)域；作業(yè)區(qū)域可以進(jìn)入時，需由專職人員認(rèn)真檢查爆破情況或?qū)μ厥馇闆r處理完畢之后，其他人員方可進(jìn)入。

5　結(jié)　論

根據(jù)博斯坦煤礦1131工作面大傾角堅硬頂板實際情況，綜合分析了堅硬頂板處理方法，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，制定了符合工作面實際情況的頂板深孔預(yù)裂技術(shù)途徑。針對博斯坦煤礦1131工作面設(shè)計了大傾角硬厚巖層超前預(yù)裂爆破炮眼布置方式和超前爆破布置參數(shù)。超前預(yù)裂技術(shù)的應(yīng)用在現(xiàn)場取得了顯著效果，工作面下隅角處頂板得到了有效控制，上隅角處頂板控制在合理范圍內(nèi)，頂板狀況相對與之前得到了很大改善。同時針對于1131工作面提出了防止爆炸沖孔、防止爆炸火焰外泄、防止爆破震動危害的措施并得到了成功實踐，保證了博斯坦煤礦的安全生產(chǎn)。

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