堅硬頂板雙重預裂技術的應用

郭 皞

（晉城煤業集團安監局，山西 晉城 048000）

定向水力壓裂技術是較常用的一種安全高效處理堅硬頂板的技術方法，鳳凰山礦通過定向水力壓裂技術的應用，將15#煤綜采工作面頂板初次垮落步距控制在20～30m左右，有效防止了頂板瞬間大面積垮落形成沖擊波。但15#煤綜采工作面初采期間采空區漏風大，工作面過風量小，工作面煤塵、瓦斯不能及時隨風流稀釋并帶走，易造成工作面內瓦斯超限、煤塵濃度超標。以XV1308工作面為例，介紹雙重預裂技術的應用及效果，為相似條件的礦井應用此方法提供借鑒。

1 概況

XV1308工作面采用傾斜長壁綜采采煤法進行回采，工作面長度為 176m，可采長度1163m，為滿足進架條件，切眼設計寬度為7m，高度為2.6m。工作面煤層傾角0～15°，平均3°，屬近水平煤層，煤層厚度平均2.25m，變異系數為 30%，可采指數1。圖1所示為XV1308綜采工作面綜合柱狀圖，該工作面無偽頂，直接頂為 K2石灰巖，平均9.26m，深灰色，致密堅硬，穩定性好，含動物化石及方解石脈，局部有平均0.32m厚的泥巖，屬于典型的堅硬難垮落頂板。

XV1308綜采工作面圈定后，采用定向水力壓裂技術對工作面切眼及兩巷頂板進行弱化處理[2]。水力壓裂結束后，對壓裂孔窺視進行效果驗證，發現定向水力壓裂對煤層以上1.5～10m的K2石灰巖完整性造成破壞，而對煤層以上0～1.5m范圍內K2石灰巖完整性基本無影響。

2 理論分析

為進一步破壞頂板完整性，在定向水力壓裂技術破壞深層頂板完整性的前提下，淺孔爆破充分利用水力預裂形成的裂隙自由面和爆破能量，對頂板造成二次破壞，形成相輔相成的雙重預裂技術理論。

在淺孔爆破過程中，水力壓裂產生的這些裂隙即為無數個爆破自由面，在保證一定裝藥量及封泥長度的情況下，爆破應力波會沿頂板弱面（裂隙）向上傳遞，將爆破能量全部作用在深部頂板巖層中。同時這些自由面（裂隙）會產生反射拉伸波，而反射拉伸波會在自由面附近引起巖石層裂和促進原先由壓縮應力波產生的徑向裂紋擴展，有利于頂板巖石的破碎。

圖1 XV1308綜采工作面綜合柱狀圖

3 技術方案

（1）淺孔爆破參數

在切眼內距工作面回采幫1m處施工一排淺孔爆破眼，每兩個淺孔爆破眼為一組，每組間距0.5m，眼深3m，淺孔爆破眼朝向工作面回采幫側80～85°，共布置30組，組與組之間間距為6m，其中機頭、機尾各兩組,組與組間距為3m，具體見圖2淺孔爆破示意圖。

淺孔爆破采用煤礦許用毫秒延期電雷管、二級乳化炸藥，采用正向裝藥，爆破裝藥量為每眼6卷，封泥長度不小于1m，使用5m腳線雷管進行引爆，串聯一次起爆5組。裝藥時將支架前梁降至合適高度，支架頂梁支撐頂板，爆破后及時將支架前梁升緊支護頂板，確保頂板支護有效。

圖2 淺孔爆破示意圖

（2）施工機具

錨桿（錨索）鉆機：MQT-130-A；

鉆頭：直徑42mm，雙翼合金鋼鉆頭；

鉆桿：B19，1m接長鉆桿；

（3）施工步驟

① 綜采工作面圈定后，水力壓裂效果達設計要求后，進行工作面刮板運輸機及采煤機的安裝。

② 綜采工作面安裝支架前，進行淺部放頂眼施工。

③ 綜采工作面安裝到位、初采前系統達標后，對淺孔爆破眼進行爆破預裂。

④ 綜采工作面正常初采作業。

（4）兩端頭的頂板管理

① 工作面兩順槽端頭的支架正前方錨索和頂錨桿托盤在距支架頂梁＜0.6m時，且下次拉架前進行回取；其他頂錨桿（索）托盤及煤柱幫錨桿托盤，在拉架移切頂柱、錨桿（索）即將進入老塘前進行回取。

② 由于頂板9m厚的K2石灰巖性質穩定，在工作面移架后不宜跟隨支架垮落，為此正常回采作業過程中必須加強對兩端頭頂板的強制放頂。具體為：

工作面進風巷端頭頂板距煤柱幫側煤幫0.3m和0.6m處（端頭架距離煤柱幫較近時只在0.3m處施工一個炮眼），各打一個炮眼，直徑43mm，炮眼長度1.5m，排距1.5m，炮眼朝向老塘與頂板呈75～85°夾角，最靠煤柱幫炮眼朝向煤柱側與頂板呈80～85°，每眼裝藥量3～5卷，封泥長度不小于0.5m。爆破采用串聯，一次裝藥一次爆破。

工作面回風巷端頭頂板距煤柱幫分別為0.5m和1.2m處各打一個炮眼，直徑43mm，炮眼長度1.5m，排距1.5m。炮眼朝向老塘與頂板呈75～85°夾角。每眼裝藥量3～5卷，封泥長度不小于0.5m。爆破采用串聯，一次裝藥一次爆破。炮眼在兩順槽超前支護范圍內提前施工，確保在支架前至少有兩排炮眼。炮眼在切頂線處裝藥、爆破。若支架距煤柱幫距離較小，則只對能滿足裝藥要求的炮眼進行裝藥爆破；若支架距煤柱幫不足0.5m時，不進行裝藥爆破。

4 效果分析

（1）切眼淺孔爆破眼設計在支架活動前梁上方，在爆破作業時只需將支架前梁降下，支架頂梁支撐頂板的狀態下即可完成爆破作業，雖然雙重預裂（二次爆破）對切眼頂板破壞較大，但支架的支撐完全可以確保切眼頂板管理安全可控。通過現場觀測，在淺孔爆破后，眼孔周圍頂板未出現明顯裂隙以及塌落現象，支架升緊后不存在安全隱患。

（2）XV1308綜采工作面通過雙重壓裂技術的使用，初采期間頂板初次垮落步距為15.4m，工作面推進11m時老塘頂板開始垮落，推進至19.8m時完全垮落。根據鳳凰山礦多個綜采工作面初次垮落步距的統計，在單一使用定向水力壓裂技術處理堅硬頂板的情況下，綜采工作面初次垮落步距均在20～30m左右，而采用雙重預裂技術后，綜采工作面頂板初次垮落步距均在10～20m范圍內，綜采工作面頂板初次垮落步距提前了至少10m。

（3）該方案的實施，有效減少了頂板初次垮落步距，減少了采空區懸頂面積，保證初采期間工作面正常通風，有效降低工作面的瓦斯及煤塵濃度。

5 結語

堅硬頂板雙重預裂技術在定向水力壓裂技術的基礎上，充分利用水力預裂形成的裂隙自由面使淺孔爆破的能量對頂板破壞作業最大化，有效縮短了綜采工作面頂板初次垮落步距，大大提高了綜采工作面初采期間的安全保障能力。同時，雙重預裂技術雖然進一步對綜采工作面切眼頂板造成了二次破壞，但通過選擇在支架上方布置淺孔爆破孔及支架安裝后進行爆破作業，有效地解決了破壞頂板造成的安全隱患。