漳村礦2105綜放工作面采前頂板預(yù)裂實(shí)踐淺析

張 安

（山西潞安集團(tuán)漳村煤礦，山西 長治 046032）

1 工作面概況

漳村礦2105綜放工藝采煤工作面井下位于21采區(qū)的南部，東面為21采區(qū)大巷，北面為2103工作面采空區(qū)，西面為23采區(qū)大巷，南面為未采區(qū)，距井田南部邊界235m。地面標(biāo)高為932.8～984.2m，工作面底板標(biāo)高為682～614m。工作面布置如圖1所示。

該工作面所回采的煤層為厚度變異較小的3#煤，賦存穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)較簡單，平均厚度為6.82m。地質(zhì)鉆孔資料顯示3#煤直接頂為平均厚3.7m的灰黑色泥巖；老頂為平均厚9.8m的灰色、致密堅(jiān)硬細(xì)粒砂巖。由于該工作面老頂?shù)暮穸却螅抑旅軋?jiān)硬；同時(shí)其他相似條件已采工作面回采期間的礦壓數(shù)據(jù)顯示，直接頂和老頂?shù)某醮慰缏洳骄喾謩e為12m、30m，周期來壓步距較大，約為13m。

圖1 2105工作面布置示意圖

生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，頂板巖層較大的初次及周期來壓步距會(huì)在采空區(qū)形成較大范圍的懸頂，當(dāng)大面積懸頂突然垮落時(shí)，沖擊波會(huì)危及工作面設(shè)備及人員，同時(shí)還會(huì)引發(fā)工作面瓦斯超限和頂煤回收少，資源浪費(fèi)等問題[1][2]。因此，回采前應(yīng)在開切眼內(nèi)對2105工作面的堅(jiān)硬厚層頂板巖層進(jìn)行爆破預(yù)裂，弱化其完整性而縮短垮落長度。

2 頂板預(yù)裂高度確定及鉆孔窺視分析

2.1 頂板預(yù)裂處理高度確定

為了使2105工作面的頂板巖層垮落后堆積形成的矸石填充滿采空區(qū)，對更上方未垮巖層形成支撐作用，預(yù)裂放頂?shù)淖钚「叨菻可按照經(jīng)驗(yàn)公式確定[3]：

式中：M為3#煤層的機(jī)采高度，初采時(shí)因不放頂煤而取3.0m；Kp為頂板煤巖層垮落堆積后的碎脹系數(shù)，取 1.25。

將2105工作面的相應(yīng)參數(shù)代入上式計(jì)算得出，預(yù)裂處理高度最小值為12m時(shí)，方能使頂板巖層垮落后堆積形成的矸石填充滿采空區(qū)，對更上方未垮巖層形成支撐作用。地質(zhì)資料顯示，2105工作面開切眼頂板煤巖層從下至上依次為3.82m厚的頂煤、0.9m厚的偽頂炭質(zhì)泥巖、3.7m厚的直接頂泥巖、9.8m厚的老頂細(xì)砂巖。根據(jù)煤巖層賦存結(jié)構(gòu)可知，頂板弱化的主要目標(biāo)巖層是老頂細(xì)砂巖。結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，綜合確定預(yù)裂放頂?shù)淖钚「叨菻為12m[4]。

2.2 預(yù)裂前頂板巖層鉆孔窺視

為精準(zhǔn)掌握2105工作面開切眼頂板上方煤巖層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育程度，借助可視化鉆孔探測儀對頂板巖層進(jìn)行鉆孔可視化成像分析。窺視地點(diǎn)選在開切眼內(nèi)距風(fēng)巷內(nèi)幫8.5m和107m處，2個(gè)窺視鉆孔的孔深垂直高度均為12m。

通過可視化成像分析2105工作面開切眼頂板煤巖層內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征得出：頂板上方的頂煤厚度為3.3m～3.7m，切眼靠風(fēng)巷側(cè)及中部的頂煤裂隙較發(fā)育，整體性較差；偽頂為黑色的炭質(zhì)泥巖，厚度為0.52m～0.8m，內(nèi)生節(jié)理、裂隙比較發(fā)育，整體性一般；直接頂為灰黑色的泥巖，厚度為4.28～5m，小構(gòu)造發(fā)育，整體性一般；老頂為厚層灰白色的中砂巖，致密堅(jiān)硬，整體性較好。

圖2 預(yù)裂前頂板可視化窺視成像

3 頂板預(yù)裂現(xiàn)場實(shí)施及效益分析

3.1 頂板預(yù)裂現(xiàn)場實(shí)施

根據(jù)預(yù)裂方案，現(xiàn)場開切眼內(nèi)共打設(shè)爆破鉆孔32個(gè)，鉆孔總長度為744m。其中在實(shí)際施工中，由于裝藥困難7個(gè)炮孔未裝炸藥，裝藥困難的主要原因是鉆孔打出后發(fā)生變形，炸藥卷無法進(jìn)入；其余25個(gè)炮孔共裝炸藥754kg，封泥長度212m。

現(xiàn)場頂板預(yù)裂使用BF-200型起爆器起爆，分組裝藥、分批爆破，起爆順序從切眼的風(fēng)巷向皮帶巷方向逐批進(jìn)行。同一個(gè)鉆孔內(nèi)采用并聯(lián)連線方式，而同一批起爆孔之間采用串聯(lián)連線方式[5]。

放炮前，依次記錄工作面所有支架的工作阻力，其中前柱的平均工作阻力為6.9MPa；前梁的平均工作阻力為8.4MPa，后柱的平均工作阻力為3.2MPa。放炮后，同樣依次記錄工作面所有支架的工作阻力，其中前柱的平均工作阻力為7.2MPa；前梁的平均工作阻力為8.9MPa；后柱的平均工作阻力為4.5MPa。對比可見，放炮后支架的工作阻力均增大。預(yù)裂實(shí)施前后工作面支架的工作阻力對比曲線如圖3所示。

圖3 預(yù)裂實(shí)施前后支架的工作阻力曲線

爆破實(shí)施結(jié)束等待至CH4和CO濃度回復(fù)正常范圍后，在風(fēng)巷端頭施工一個(gè)直徑為50mm、深度為12m的鉆孔，對預(yù)裂效果進(jìn)行可視化窺視分析。部分窺視成像如圖4所示。

圖4 預(yù)裂實(shí)施后頂板可視化窺視成像

分析窺視成像結(jié)果得出，開切眼上方0?3.6m的頂煤被震裂而出現(xiàn)較大的裂縫，局部孔壁破碎嚴(yán)重；頂板3.60～4.81m范圍內(nèi)的黑色泥巖層出現(xiàn)明顯裂紋、破碎；頂板4.81～6.68m范圍內(nèi)的孔壁出現(xiàn)小碎片和微裂隙，局部出現(xiàn)破碎現(xiàn)象；頂板6.68～9.50m范圍內(nèi)黑色泥巖出現(xiàn)大裂紋、破碎現(xiàn)象，裂紋連續(xù)，孔壁呈碎散狀態(tài)；頂板9.50～11.2m的中砂巖范圍出現(xiàn)較大的裂隙，局部出現(xiàn)離層現(xiàn)象；頂板11.2～12.0m范圍內(nèi)中砂巖出現(xiàn)微小裂隙，局部出現(xiàn)大的裂隙。由上述窺視成像結(jié)果綜合判斷，此次爆破達(dá)到了預(yù)裂頂板的工程實(shí)施目的。

3.2 頂煤回收效益分析

由圖1所示的2105工作面布置可知，工作面沿開切眼的傾向長度為195m，3#煤層的總厚度約為6.8m，開切眼上方頂煤的平均厚度為3.5m，3#煤的容重按1.4t/m3、回采率按0.8考慮，則每米工作面的頂煤量為：

1m×3.5m×195m×1.4t/m3×0.8=764.4t

若沒有實(shí)施此次頂板預(yù)裂，按3#煤其他類似條件工作面頂煤的初次垮落步距約為12m，直接頂和老頂?shù)某醮慰迓洳骄喾謩e約為30m和30～40m分析，則工作面在推進(jìn)30～40m后才能回收頂煤。

采前頂板預(yù)裂實(shí)施后，若按照提前回收10m頂煤計(jì)算，則可多回收的頂煤量為[6]：

10m×764.4=7644t

此次綜放工作面初采前的成功實(shí)施，對本礦井其他類似條件的工作面具有一定的推廣、使用價(jià)值，同時(shí)可以提供經(jīng)驗(yàn)及借鑒，具有顯著的社會(huì)效益。

4 結(jié) 論

回采前通過在開切眼內(nèi)對2105綜放工作面頂板實(shí)施爆破預(yù)裂處理，人為干預(yù)破壞的頂板巖層的完整性，使其在工作面回采后更容易破碎垮落，極大地縮短頂板的初期垮落長度，避免在采空區(qū)內(nèi)形成大面積的懸頂，同時(shí)可多回收頂煤，實(shí)現(xiàn)工作面安全、高效生產(chǎn)。