薄煤層綜采工作面堅硬頂板弱化技術研究

張憲軍(山西古縣西山登福康煤業有限公司,山西 臨汾042400)

1 前言

當工作面開采的煤層頂板堅硬時,在初采階段頂板容易在采空區內大面積懸空。若采空區內懸露頂板突然垮落,會給工作面回采設備以及通風系統造成嚴重沖擊,給煤炭正常生產帶來嚴重威脅[1-3]。堅硬頂板具有厚度大、裂隙不發育等特點,現階段常用水力壓裂、深孔爆破等方式來達到頂板弱化目的[4-7]。本文以登福康礦12108 綜采工作面為研究對象,采用深孔爆破方式對開采的2#煤層堅硬頂板進行處理,現場應用后工作面初次來壓步距及來壓強度顯著降低,為工作面回采安全創造了良好條件。

2 工程概況

2.1 工作面基本情況

登福康礦開采的2#煤層厚度平均1.13m,煤層結構簡單,中間夾雜0～3 層矸石,傾角平均5°。12108 綜采工作面設計推進長度、切眼斜長分別為870m、145.5m。2#煤層上有賦存不穩定的泥巖偽頂、頂板直接頂為細粒砂巖(厚5.07m)、基本頂粉砂巖(厚度4.38m),底板為泥巖,厚度7.82m,具體頂底板巖性見表1。

表1 頂底板巖性

2.2 頂板力學參數測試

為了掌握2#煤層頂板巖層裂隙擴展情況,在12108 工作面開切眼內施工窺視鉆孔,鉆孔孔深為9.5m、孔為28mm。鉆進且沖洗干凈鉆孔后,采用窺視儀對窺視鉆孔圍巖裂隙擴展情況,具體直接頂細粒砂巖、基本頂粉砂巖窺視情況如圖1所示。

圖1 頂板鉆孔窺視示意圖

從窺視結果看出,2#煤層頂板細粒砂巖、粉砂巖等巖層完整性較好,裂隙不發育。現場采樣對2#煤層、直接頂細粒砂巖及基本頂粉砂巖進行力學參數測試,具體測試結果見表2。

表2 2#煤層及頂板巖層力學參數

從表中看出,2#煤層上覆的細粒砂巖、粉砂巖強度以及彈性模量均較高,屬于堅硬頂板,開采過程中頂板不易破斷。根據其他采區2#煤層開采情況,預計12108 工作面頂板初次來壓步距可達到59.5m,工作面斜長為145.5m,則采空區懸頂面積8 657m2。若工作面開采過程中采空區懸空頂板突然垮落勢必會給工作面回采安全帶來嚴重威脅,為此提出采用深孔預裂爆破技術對2#煤層頂板堅硬進行處理。

3 堅硬頂板弱化方案

12108工作面采用綜采工藝,開切眼斜長為145.5m,頂板弱化處理范圍為工作面走向方向60m。采用定向控制爆破方式在開切眼內、回采巷道內對2#煤層堅硬頂板進行弱化處理。

3.1 開切眼頂板爆破弱化方案

在12108 工作面開切眼內布置2 排爆破孔,排距為1.0m,爆破孔間距均為5m。第1 排鉆孔平行開切眼方向并有60°仰角、鉆孔深度控制為15m、孔徑為94mm;第2 排鉆孔與煤壁間有50°夾角、仰角為60°,鉆孔孔深為15m、孔徑94mm。具體鉆孔布置如圖2所示,施工參數見表3。

圖2 開切巖內頂板爆破鉆孔布置示意圖

表3 施工參數

通過在開切眼內布置第1 排爆破鉆孔,切斷2#煤層基本頂應力傳遞路徑,從而使頂板由四端固支受力狀態改為三端固支受力狀態;在開切眼內布置第2 排爆破鉆孔,主要起到增加開切眼頂板破碎范圍作用,使得工作面開采后頂板分段垮落來壓,避免頂板集中來壓給綜采支架帶來較大動力沖擊。

3.2 回采巷道內頂板爆破弱化方案

在工作面回風巷道、運輸巷道內每隔10m 布置一組爆破,共計弱化60m 范圍,具體鉆孔布置如圖3所示,爆破參數見表4。

圖3 巷道上方頂板炮眼布置示意圖

表4 巷道上方頂板爆破參數

3.3 開切眼及回采巷道內爆破孔施工

在工作面開切眼內以及回采巷道內采用2 臺型號ZDY750 鉆機根據設計參數施工炮眼。鉆孔鉆進時采用直徑94mm 三翼金剛石鉆頭、配套的鉆桿直徑為75mm、長度1 000mm。由于爆破孔較深,為了便于裝藥,采用特殊的被筒炸藥,炸藥直徑及長度分別為75mm、1 000mm;被筒炸藥用抗燃燒及抗靜電的管材材料制作。

在爆破孔裝藥前先采用炮棍探孔,避免鉆孔塌孔導致裝藥失敗,封孔采用壓風封孔器,封孔材料為水、粉煤灰、石灰及水泥拌合物。

4 頂板弱化效果分析

在12108 綜采工作面液壓支架安裝完畢后,在開切眼內施工爆破鉆孔弱化堅硬頂板。工作面推進2～3 刀后,在液壓支架后進行裝藥、封孔、爆破,起爆順序由運輸順向回風巷道方向。開切眼內爆破孔爆破后頂板出現有明顯的“溝槽”裂隙,工作面推進一段距離后2#煤層上覆堅硬底板垮落,充填采空區。

在工作面上(靠近回風巷道)、中及下(靠近運輸巷道)3 個區段布置8 個壓力傳感器對液壓支架工作阻力變化情況進行監測,從而對頂板來壓情況進行監測分析。具體監測獲取到的工作面初次來壓情況見表5。

從表5看出,工作面初次來壓步距平穩為26.2m、來壓時動載系數為1.35。同時在工作面初采期間,未出現頂板切頂、支架壓死等現象,達到頂板弱化預期目標。

5 結論

(1)通過鉆孔窺視發現2#煤層頂板細粒砂巖、粉砂巖均較為完整,裂隙不發育。取樣測試發現細粒砂巖抗壓強度以及彈性模量分別為132.5MPa、40.2GPa,粉砂巖抗壓強度以及彈性模量分別達到133.9MPa、39.4GPa,屬于堅硬頂板。根據以往開采經驗預計12108 綜采工作面回采時頂板初期來壓步距可達59.5m,若不采取措施則采空區懸頂面積為8 657m2,給工作面回采安全帶來。

表5 工作面初次來壓監測結果

(2)根據12108 工作面情況,提出在開切眼內以及回采巷道內布置爆破孔弱化煤層堅硬頂板。現場應用后工作面初次來壓步距降低至26.2m,工作面在來壓期間未出現頂板切頂、支架壓死等現象,現場應用取得較好的頂板弱化效果。