建莊礦4-2205 綜放工作面堅硬頂板弱化技術

閆嘉平

（陜西煤業集團黃陵建莊礦業有限公司，陜西 黃陵 727307）

放頂煤開采作業過程中遇到堅硬的頂板，就會出現大面積頂板不垮落、放頂不規律的現象。隨著工作面不斷推進[1-5]，懸空面積加大，頂板彎沉位移不斷增大。當頂板彎沉位移到達承載極限時，頂板瞬間垮落[6-11]，對工作面支架、煤壁產生劇烈沖擊，形成強烈的礦壓沖擊現象，嚴重威脅礦井安全生產。

建莊煤礦4-2205 綜放工作面采用綜放開采，4-2號煤層頂板堅硬，不易垮落，回采過程中常出現頂板來壓不規律的現象。為解決該問題，對該綜放面頂板實施深孔預裂爆破頂板弱化技術。

1 概況

建莊礦隸屬于陜西煤業集團，主采煤層4-2煤層，煤層厚度約5.6 m，煤質為煙煤，變質條件差。通過巖性分析，該煤層基本頂為砂巖，存在細粒長石、石英砂巖及長石砂巖，裂隙發育情況差。

基本頂頂板巖層干燥單軸抗壓強度55.3 MPa，軟化系數0.43，吸水性差。底板為土質沉積巖，干燥單軸抗壓強度33 MPa，軟化系數0.3。

4-2205 工作面走向長度約2205 m，傾斜長度約238 m，采用綜合機械化放頂煤開采方式開采，采高2.5 m，放頂3.1 m。直接頂來壓步長為16.8 m，基本頂來壓步長56.7 m，回采過程中常出現放頂不規律的現象。具體工作面位置如圖1。

圖1 工作面位置圖

2 頂板弱化技術

煤層頂板來壓不規律，嚴重威脅放頂煤開采安全生產。目前比較有效的頂板弱化技術有高壓注水和預裂爆破技術，本文主要使用深孔預裂爆破技術來弱化頂板。基本原理為：鉆孔內裝藥爆破后，鉆孔周圍巖體裂隙發育快速提高，加速巖體破裂，爆破后的堅硬頂板可在綜采機到達該位置前破裂，當到達預裂位置時，頂板可正常垮落。

4-2205 綜放工作面第一次預裂鉆孔設計如圖2，鉆孔參數見表1。

表1 鉆孔參數表

圖2 致裂鉆孔布置圖

鉆孔內裝藥情況如圖3，封孔長度為10 m，封孔材料為水泥和沙混合料，每次裝藥量為30 kg，礦用乳化炸藥。每隔10 m 裝兩發雷管，雷管均串聯連接。由于爆破時能量波會耦合，產生更好的效果，因此每3 個鉆孔為一組，同時爆破。

圖3 預裂孔封孔布置示意圖

3 應用效果

爆破效果考察方式主要為定性考察和定量考查。定性考察為：回采過程中，每班對頂板情況進行觀測。定量考察為：（1）對支架安裝應力實時監測系統，分析回采過程中支架應力變化情況；（2）對回采過程中，運巷、回巷頂板離層儀數據進行數據分析。

2019 年6 月21 日中班開始實施深孔爆破技術，同時實施的鉆孔有5#、6#、7#、12#、13#、14#鉆孔，爆破完成后，2019 年6 月22 日中班實施1#、2#、3#、4#、8#、9#、10#、11#鉆孔。實施完成后2019年6 月25 日開始回采作業。考察時間為6 月25 日—7 月25 日。

3.1 定量分析

根據現場觀測，6 月25 日—7 月3 日正常回采，共回采20 m。回采期間頂板初次垮落，未出現頂板懸空現象。6 月27 日，回采5 m，期間放頂煤相比其他工作面放頂煤的粒度小很多，通過取樣分析，對二者的粒度進行對比。由粒度分析可知，爆破前回采的煤炭整體粒徑較大；爆破后，回采的煤炭粒徑較小，整體比較均勻。以上觀測結果可知：深孔預裂爆破作業有效地解決了堅硬頂板不能正常放頂問題，同時爆破產生的應力波對頂煤具有一定的致裂作用，可提前強化煤巖體裂隙發育，提高放頂煤開采效率和回采率。

3.2 定性分析

通過對6 月25 日—7 月25 日工作面支架應力進行為期30 d 的觀測，同時和之前臨近工作面的數據進行比較，數據對比如圖4。

圖4 1#支架阻力曲線圖

圖5 3#支架阻力曲線圖

由圖4～圖6 可知，爆破區域支架整體的阻力穩定，未出現較大波動，基本在2000～3000 kN 之間；未實施深孔爆破的區域，支架阻力波動較大。根據監測數據和開采實踐分析，頂板垮落前支架阻力小幅下降，進一步開采后支架阻力大幅上升，之后趨于穩定。通過觀測運巷、回巷頂板離層儀的數據，和支架阻力變化基本趨于一致。

圖6 5#支架阻力曲線圖

綜上所述，深孔爆破技術不僅僅可以弱化堅硬頂板，同時可以提高放頂煤工作整體穩定性。

4 結論

（1）深孔爆破技術可以有效弱化堅硬頂板，提高放頂煤安全保障，提高回采率。

（2）通過定量分析可知，深孔爆破技術保證回采面支架受力的穩定性，減少應力波動對支架的沖擊破壞，有效保護現場回采設備，整體效果較好。