堅硬特厚煤層綜放工作面頂板弱化技術應用研究

趙 斌

（山西煤炭進出口集團左云韓家洼煤業有限公司，山西 大同 037100）

韓家洼煤業頂底板條件為特有的“三硬”條件，頂、底板及煤強度高，頂煤普氏系數平均為2.5，自然放頂時頂煤回收率低，資源浪費嚴重，冒放性差，采空區懸頂面積大，造成了極大的安全隱患。為了提高頂煤冒放率，增加經濟效益，防止回采期間頂板大面積突然垮落，工作面頂板的弱化管理十分重要。

1 工作面概況

22#煤層上距19#煤層平均間距38.54m，煤層厚度10.35～15.82m，平均11.78m，含2～5層夾矸，結構較復雜，全井田分布，屬穩定煤層。煤層瓦斯絕對涌出量和相對涌出量低，為低瓦斯煤層。22201工作面走向長833.8m，切眼長150m。煤層直接頂以粉、細砂巖為主，厚度4～6m；基本頂為中、粗砂巖，厚度平均22.7m；底板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖及少量的炭質泥巖，厚度4～5m。工作面為南西高北東低的單斜構造，根據22201兩順槽巷道資料，初采期間無斷層及其他構造影響，22201綜放工作面直接頂初次垮落步距為18m，基本頂初次跨落步距為30～35m。根據地質資料及現場鉆孔資料，繪制22201工作面綜合柱狀圖，如圖1所示。

2 頂板弱化機理及弱化手段

（1）常見的弱化方法及機理

對于頂板弱化一般采用注水法和爆破預裂弱化法。注水弱化法是指通過對堅硬頂板場地高壓注水，在水—巖作用的機理下，利用巖石的水理性質，通過水的物理和化學軟化作用，降低巖石物理力學強度，實現頂板弱化。爆破預裂弱化法是采用爆破的方法，增加煤巖體裂隙，破壞煤巖體內部結構，達到頂板強度的弱化。

圖1 工作面綜合柱狀圖

（2）堅硬頂板弱化機理

堅硬頂板的弱化指從頂板的能量積聚和頂板裂隙節理角度，通過人工干預的方法，對頂板的能量進行釋放，并且增加頂板的裂隙節理，使其形成松散結構，達到降低頂板強度，使頂板的極限跨距減小的目的，加快頂板的跨落，避免因長期懸頂造成的可能出現的安全事故。在堅硬頂板的弱化處理工藝中，最常見的為注水法和爆破法。其中注水法由于技術難度高，成本大，效果差，未得到廣泛應用，因此爆破法弱化頂板更適宜韓家洼堅硬頂板的弱化工藝。爆破法弱化頂板是采用礦用安全炸藥對堅硬頂板的關鍵位置進行結構性爆破破壞，增加頂板的裂隙和節理數量以及發育程度，使堅硬頂版的物理力學強度：抗壓強度、抗剪強度、內摩擦角與彈性模量大幅度降低，使堅硬頂板的冒落性提高。而且利用炸藥爆破可以更好地釋放頂板彈性能，削弱頂板抗剪能力，預防因工作面支承壓力過大造成的壓死液壓支架安全事故。

（3）爆破弱化方法選擇

淺孔循環式爆破、深孔地面爆破和深孔預制裂縫爆破法是三種頂板爆破弱化方法。深孔地面爆破是通過地面打孔，進行爆破弱化頂板，該方法頂板弱化效果最佳，但由于在鉆孔鉆探方面花費較高，耗時耗力，一般用于淺埋煤層條件下的頂板弱化。淺孔循環式爆破指鉆孔深度小于5m的淺層多循環作業的爆破方法，其主要被用于較軟弱頂板，由于工藝繁雜，鉆孔數量要求較多，極大影響工作面的生產效率。深孔預制裂縫爆破法是通過深孔炸藥大范圍爆破，使頂板爆破達到預先設計裂縫效果。深孔預制裂縫爆破法，因為爆破鉆孔所需炸藥藥量較小，爆破效果可控制，工藝較簡單，爆破作業效率較高，可配合綜采和綜掘設備實現掘進—爆破—裝運機械一體化。對比研究韓家洼煤礦22201工作面地質條件及生產技術條件，使用深孔預制裂縫爆破法弱化其堅硬頂板。

超前深孔爆破主要指在工作面兩側順槽巷道頂板處打眼，在距工作面前方15～30m處進行深孔爆破，使頂板提前破碎，進而減小頂板的極限垮落步距。設超前深孔爆破后頂板的極限垮落步距為L0″，則其力學模型如圖2所示。

圖2 超前深孔爆破力學模型

3 超前深孔爆破方案

3.1 爆破孔深度

根據礦井實際地質條件，22201工作面設計采高為3m，則初次深孔爆破深度應為

式中：

Hl2-深孔爆破深度，m；

n-安全爆破系數，取1.2；

H-工作面頂煤垮落高度，H=M/(Kρ-1)，M為工作面采高，取3.0m，Kρ為巖石碎漲系數，取1.25，則頂板冒落高度為12m；

θ-最大爆破仰角，取35°。

將數據代入可得初次深孔爆破高度為25m，初次切斷孔為20m，步距深孔爆破深度為初步放頂孔深度3/5，故步距深孔爆破深度應為15m。

3.2 放頂孔布置方式及參數

本次爆破設計炮孔直徑為65mm，裝藥不耦合系數為1.3，分別在工作面切眼和兩側順槽處布置炮孔，使用二級煤礦許用炸藥，每孔裝藥長度為孔深的2/3，裝藥2kg/m，充填長度為孔深的1/3，充填物為黃土，具體布置方案如下。

（1）初次放頂孔

初次放頂孔為水平扇形孔，分別布置在頭、尾兩順槽巷內，距開切眼15m的位置上。每組布置5個孔，其中正孔3個，轉角70°，仰角15°、25°、35°，切斷孔2個，轉角15°，仰角25°、35°，正孔深25m，切斷孔深20m，如果遇到頂板白砂巖，停轉。位置布置如圖3所示，詳細參數見表1。

圖3 初次放頂孔布置圖

表1 初次深孔爆破參數表

表2 步距深孔爆破參數表

（2）步距放頂孔

步距放頂孔為水平扇形孔，分別布置在頭、尾兩順槽巷內，距上一次鉆孔15m，共布置數組，直到基本頂完全垮落。每組布置4個孔，其中正孔2個，轉角70°，仰角25°、35°，切斷孔2個，轉角15°，仰角25°、35°，孔深均為15m，如果遇到頂板白砂巖，停轉。位置布置如圖4所示，詳細參數見表2。

圖4 步距放頂孔布置圖

4 應用效果

該技術的可行性需要通過現場頂板的弱化效果檢驗，為驗證工作面頂板的弱化效果，可以分別從頂板垮落效果和礦壓的變化來判斷。將深孔預裂爆破技術應用于22201工作面，并進行現場實測，觀測發現工作面頂板冒落塊度滿足綜放采煤基本要求，直接頂的垮落步距相對下降，載荷變化平緩。工作面直接頂未采用該技術前的初次來壓步距為18m，基本頂初次來壓步距為63m，周期來壓步距為27m。采用深孔預制裂縫爆破法弱化頂板后，發現直接頂初次來壓步距降為8m，基本頂初次來壓步距為32m，周期來壓步距為14m。直接頂初次垮落步距減小了55.6%，基本頂初次垮落降低49.2%，周期垮落步距降低48.1%，堅硬頂板實現了弱化，冒落程度明顯提高。工作面回采率也提升了15%，資源回收率的增加帶來了極大的經濟效益，說明了本次深孔預裂爆破頂板弱化技術應用取得了成功。