神農煤業堅硬頂板切眼預裂爆破弱化技術應用

魏 磊

（山西煤炭運銷集團神農煤業有限公司，山西 高平 048400）

在我國能源消費中煤炭占據主體地位，雖然國家能源結構有所改變，但短期內煤炭的消費地位不會改變。我國煤礦以地下開采為主，在煤礦生產中，頂板事故是影響煤礦安全高效開采主要因素之一[1-2]。由于煤層賦存條件復雜多變，在一些礦井常常遇到賦存堅硬頂板，由于頂板強度較高、穩定性較好、不易跨斷冒落，該類地質條件下煤礦開采時，回采時期尤其是回采初期極易造成大面積懸頂現象，當懸露面積較大頂板發生突然破斷，將采空區大量有害氣體瞬時沖出，造成工作面瓦斯超限，形成的沖擊氣壓對工作面造成沖擊性破壞，從而造成嚴重的煤礦生產事故。針對堅硬頂板下煤層開采，一般采用頂板弱化的方式，通過弱化頂板巖層，減小頂板來壓步距。目前比較成熟的技術手段有高壓注水弱化頂板、爆破強制放頂、爆破預裂弱化頂板、高阻力支架切頂等[3-5]。

1 工程概況

神農煤業15101 工作面開采15#煤層，開采區域地面標高+1045～ +1120 m，工作面標高+752～+777 m，埋深為293～343 m。工作面位于一采區中部，南部30 m為15102膠帶順槽，東面95.4 m為F1斷層，西部依次為一采區軌道大巷、一采區膠帶大巷、一采區回風大巷。開采煤層厚度3.6～4.0 m，平均厚度3.79 m，無夾矸，結構簡單。頂板為灰質泥巖、K2灰巖，底板為泥巖或粉砂巖。頂底板巖性特征見表1。

表1 頂底板巖層巖性特征

15101 工作面安裝支撐掩護式液壓支架101架，其中，ZZ8000/23/47 型中間架92 架，兩端頭ZZG8000/23/47 型過渡支架7 架，ZZT12000/24/45型端頭支架2 架（1 組）。15101 運輸順槽和回風順槽各安裝ZQL2×5850/24/45 超前支架1 套。

2 堅硬頂板切眼預裂爆破弱化技術

15101 工作面基本頂巖性為K2 石灰巖，屬堅硬頂板，經計算工作面初次來壓步距為35 m，周期來壓步距為20 m。由于工作面基本頂為堅硬頂板，在工作面回采初期極易出現大面積懸頂現象，給15101 工作面高效回采帶來極大安全隱患。為此，擬采用預裂爆破弱化技術對15101 工作面基本頂K2石灰巖進行超前弱化，以縮短工作面初次來壓步距，降低工作面初次來壓強度。

2.1 預裂爆破弱化頂板方案

（1）15101 工作面設備安裝前，在切眼內距采空區幫2.5 m 處頂板打第一排孔，距采空區幫4.5 m處打第二排孔，兩排孔間排距2.0 m×2.0 m。在工作面運輸順槽按間排距2.0 m×2.0 m 各打兩排孔。所有炮孔與頂板呈45°夾角，兩排孔分別與對應幫呈30°夾角。切眼內的炮孔深度為5.0 m，孔徑為40 mm，共布置128 個炮孔。

（2）切眼弱化炮孔裝藥量為2.6 kg/孔，裝藥長度2.6 m，封孔長度2.4 m。

（3）自工作面開切眼推進4.8～5.4 m，對爆破鉆孔進行裝藥爆破。

（4）起爆作業在15101 運輸順槽中進行，從15101 回風順槽側向15101 運輸順槽側分5 次依次裝藥爆破。

2.2 工作面頂板控制注意事項

（1）基本頂初次破斷之前，加強觀測工作面端頭及15101 回風順槽和運輸順槽超前范圍（20 m）的頂板控制情況。

（2）基本頂初次破斷之前，工作面移架作業充分實現少降快移，同時，升架后保證支架初撐力。

（3）預計工作面推進30 m 時，將出現初次來壓現象，來壓期間，保證支架充分接頂，初撐力不低于24 MPa。

（4）預計每推進20 m 左右，將出現周期來壓現象，來壓期間，加強頂板控制管理，保證支架充分接頂，初撐力不低于24 MPa。

（5）保證工作面液壓支架及端頭超前支架初撐力不低于24 MPa，加強中部及端部過渡支架工作阻力觀測，保證工作面頂板控制質量，預防冒頂事故發生。

（6）加強工作面端頭頂板巖層控制，端頭超前支架與過渡支架頂梁之間的間距應小于1 m。

（7）加強工作面采動礦壓觀測，及時準確掌握采場礦壓現象和規律。

（8）加強液壓支架維護，避免出現漏液、串液現象，保證支架支撐力。

3 工作面礦壓規律與頂板弱化控制效果分析

在15101 工作面開切眼處采用堅硬頂板切眼預裂爆破弱化技術，同時監測了支架受力變化情況。表2 給出了10 個觀測站的礦壓觀測匯總數據。由表可知，工作面初次來壓步距為20.99～24.90 m，平均來壓步距為22.65 m，初次來壓強度為28.64～38.41 MPa，平均來壓強度33.98 MPa，平均動載系數1.42；工作面周期來壓步距16.82～21.09 m，平均來壓步距18.62 m，周期來壓強度為25.17～32.25 MPa，平均來壓強度28.32 MPa，平均動載系數1.18。

表2 礦壓觀測匯總表

根據鄰近工作面礦壓監測結果，鄰近工作面平均初次來壓步距35.46 m，來壓強度36.78 MPa。采用堅硬頂板切眼預裂爆破弱化技術，初次來壓步距減小了56.6%，來壓強度降低了7.6%。采用該技術后，有效縮短了工作面初次來壓步距，降低了工作面初次來壓強度，避免因工作面回采初期大面積懸頂造成安全事故，表明了堅硬頂板切眼預裂爆破弱化技術的優越性和合理性。效果對比如圖1。

圖1 頂板弱化控制效果對比圖

4 結論

工作面賦存強度較高、穩定性較好、不易垮斷冒落的堅硬頂板，回采初期極易造成大面積懸頂現象，給礦井安全生產帶來隱患。為此，提出采用預裂爆破方法提前破壞堅硬頂板結構，避免采空區形成大面積懸頂現象。基于此，設計了預裂爆破弱化頂板方案。礦壓觀測結果顯示，采用該技術后，初次來壓步距減小了56.6%，初次來壓強度降低了7.6%，表明了堅硬頂板切眼預裂爆破弱化技術的優越性和合理性。