厚砂巖頂板薄煤層礦壓弱化技術實踐研究

劉晨晨

(皖北煤電集團有限責任公司, 安徽 宿州市 234000)

0 引言

在中國的能源需求領域中,煤炭資源仍占有比較大的份額,煤炭是中國不可或缺的能源,在中國經濟發展中發揮著重要作用。但是,煤炭開采過程中產生的許多難題仍然困擾著人們,如防治水方面:老塘大面積懸頂,頂板冒落帶厚度降低,勢必會導致裂隙帶及彎曲下沉帶的厚度增大,而本工作面是近“四含”水開采,造成工作面出水壓架風險上升,對人員安全及工作面高效回采造成較大影響。瓦斯治理方面:老塘懸頂面積較大,一旦大頂斷裂,當頂板來壓時,采空區的瓦斯會瞬間涌出,造成工作面瓦斯超限,且頂板垮落引起的沖擊波威脅工作面作業的工人生命安全。

以祁東煤礦8231工作面風巷為背景,鑒于在防治水和瓦斯治理方面會對工作面的安全回采帶來威脅,因此開展厚砂巖下薄煤層短工作面開采頂板管理技術研究,對8231工作面安全、高效回采有重要作用,也對日后類似工作面的回采具有十分重要的借鑒、指導作用。

1 工程概況

祁東煤礦8231工作面位于井田東翼一水平三采區,為三采區82煤首采面,走向布置,工作面“刀把狀”布置,里段面寬約73 m,走向長629 m,外段面寬164 m,走向長440 m。里段煤層厚度約1.2～1.9 m,平均煤層厚度為1.49 m,夾層含一層泥巖夾矸,厚0.3～0.9 m,外煤層厚為2.1～2.7 m,煤層平均厚度為2.31 m,煤層之間夾有一層泥巖和矸石,厚0.4～0.7 m。直接頂板為細砂巖,厚10.3～24.95 m,平均厚15.3 m,普氏硬度系數13。底板為泥巖,厚1.6～5.4 m,平均厚度為3.3 m,普氏硬度系數為6。本研究中的主要工作面如圖1所示。

圖1 祁東煤礦8231里段工作面

根據8231工作面(里段)附近鉆孔82煤頂板巖性情況見表1和圖2。

圖2 8231工作面(里段)附近鉆孔82煤頂板巖性

表1 鉆孔82煤頂板巖性情況

2 超前預裂爆破弱化厚硬頂板來壓技術

2.1 原理

2.1.1 深孔預裂爆破技術

當上覆巖層主關鍵層距離煤層小于7～10倍采高時,煤層破碎,上覆巖層會在一定范圍內垮落,造成工作面來壓強烈,甚至發生災害。針對覆巖關鍵層低于7～10倍煤層采高的特殊情況,首先采取人工預裂爆破等破碎措施弱化主關鍵層,將覆巖主關鍵層位置前移至7～10倍采高區域,以降低覆巖整體結構破壞的風險。8231工作面(里段)頂板巖性及關鍵層判斷結果顯示,10倍采高范圍內均為砂巖層位,砂巖層厚度達31.89 m,工作面的開采頂板不易垮落,隨著懸頂面積的增加,當采空區達到極限破斷步距時,巖層整體破斷會對工作面產生沖擊性的影響,因此,對工作面(里段)采取頂板預裂爆破技術方案。

2.1.2 風巷頂板超前預裂爆破技術

工作面上隅角頂板冒落不充分時,易造成瓦斯積聚,懸頂面積過大時,一旦工作面大面積來壓,可能會造成頂板大面積瞬間垮落,采空區瓦斯瞬間涌出造成瓦斯超限,對工作面的瓦斯涌出及頂板安全造成極大隱患。故對風巷頂板進行超前預裂,輔以正常的強制放頂,確保上隅角頂板冒落充分。

2.2 超前預裂爆破技術方案

2.2.1 工作面頂板超前預裂爆破

根據8231工作面(里段)頂板巖性判層情況,29-302鉆孔82煤頂板至71煤底板存在一層厚31.89 m的砂巖層(關鍵層),采前2鉆孔82煤頂板至71煤底板存在一層厚26.18 m的砂巖層(關鍵層),高91鉆孔82煤頂板至71煤底板存在一層厚26.71 m的砂巖層(關鍵層),工作面頂板上10倍采高范圍內均為砂巖層,故選取爆破孔的末端高度垂直82煤層上方頂板20 m時,工作面覆巖破斷冒落之后,破碎巖石的堆積高度為:25 m＞22.2 m,滿足要求。

人工預裂或爆破之后所產生的碎巖通常能夠填滿采空區,其上覆巖石的沉降率也極小,冒落后充填的采空區體積減小,會導致主關鍵層下的空隙面積相對顯著減小,主關鍵層破斷時的旋轉沉降速率也會相對較小,對工作面沉降的影響也會相對較小,因此,通常不會造成作業面的劇烈來壓。

綜合以上分析:8231工作面(里段)頂板預裂爆破頂端層位選取為82煤頂板上20 m。

設計參數:每組4個孔,分別為F1、F2、F3、F4;沿8231機巷上幫開孔,F1孔布置在上幫至下幫肩窩處往下0.5 m;F2孔布置在上幫肩窩處;F3孔布置在上幫肩窩向上0.4 m頂板處;F4孔布置在上幫肩窩向上0.8 m頂板處;炮孔直徑均為91 mm。自8231機巷切眼向外10 m處(J21點前56 m)開始施工,預裂爆破步距為15 m,參數詳見表2、圖3、圖4。

圖4 8231工作面(里段)預裂爆破孔平面

表2 工作面頂板超前預裂爆破參數設計

圖3 8231工作面(里段)預裂爆破孔剖面

2.2.2 風巷頂板超前預裂爆破

經過不斷摸索實踐優化,風巷設計3個預裂爆破孔,分別為A1、A2、A3,A1孔距下幫0.5 m,A2孔距下幫1.3 m,A3孔距下幫2.1 m,眼位誤差±100 mm。炮孔直徑均為91 mm;爆破孔施工超前工作面距離不低于60 m,預裂爆破步距為8 m,具體參數情況詳見表3、圖5至圖8。

表3 風巷頂板超前預裂爆破參數設計

圖5 8231工作面風巷

圖6 A1孔斷面

圖7 A2孔斷面

圖8 A3孔斷面及剖面

2.2.3 風巷頂板強制放頂

因風巷頂板超前預裂孔爆破高度控制在8～15 m,0～8 m范圍內未受到爆破松動,上部頂板已預裂的情況下,風巷頂板不會及時冒落,故采取淺孔強制放頂輔助風巷頂板冒落,見圖9。經過不斷摸索實踐優化,強制放頂參數如下:

圖9 強制放頂平面

(1)炮眼間排距800 mm×1600 mm,分兩輪施工爆破;

(2)炮孔孔徑Φ42 mm,在工作面走向方向偏向老塘75°,每孔裝9節Φ35 mm×350 mm礦用水膠炸藥;

(3)爆破孔需在超前煤壁不低于15 m的正規支護范圍內施工,放炮前需在炮孔周圍不低于1 m范圍內加強支護。

3 工程應用效果及經驗

3.1 工程概況

工作面頂板預裂孔在2019年1月初工作面回采前就開始施工,2月15日工作面開始回采,預裂孔爆破已超前煤壁不低于150 m,最終里段預裂孔如期超前煤壁100 m全部爆破結束。風巷超前煤壁60 m開始施工頂板超前預裂孔,基本保持3 d一個循環(打孔、裝藥、封孔、爆破)。

3.2 效果分析

根據工作面回采期間不同區域支架受力情況可知:隨著工作面推進距離不斷加大,頂煤及直接頂緊跟工作面垮落,老頂受到的擾動不斷增強,首先來壓的區域主要集中在工作面中部和采煤機尾位置。根據前期頂煤及直接頂垮落情況可知,采煤機尾位置最先出現垮落,因此,有利于老頂超前其他位置進行垮落,并且垮落的比其他位置較為充分。工作面采用頂板預裂爆破弱化后,工作面來壓出現了明顯的分區域,分階段緩慢來壓的現象,初次來壓步距較小,來壓強度不高。強制放頂孔每班隨工作面推進持續施工,參數經數次優化后,風巷頂板進入老塘后基本冒落充分,取得了良好的效果。通過頂板深孔預裂爆破、風巷頂板超前預裂爆破輔以淺孔強制放頂措施,解決了厚砂巖下薄煤層短工作面開采期間,工作面冒落不充分這一難題,很好地控制了頂板的整體垮落,確保了工作面的正常推進,實現了工作面綠色、安全、高效回采,保障了2019年產量目標的完成,達到了預期效果。

3.3 經驗分析

(1)炮孔的深度以及炮孔與炮孔之間距離的確定要因勢利導,必須根據礦壓活動規律,結合直接頂和老頂的巖性特征,使得爆破危害降到最低,以保護工作面設備免受破壞。

(2)充分發揮炸藥作用,使深孔的預裂與爆破獲得最佳效果,嚴密接合每一段藥卷,在封泥時還需要選擇專門封泥機具,以提高封泥的質量。

(3)合理使用微秒延期避雷器、導爆索和礦用安全型炸藥,以減少拒爆、殘爆等現象發生。

(4)考慮中孔情況,合理設計炮眼,以保護支護設備不受損壞。

(5)嚴禁在采空區瓦斯超過規定濃度時放炮。

4 結論

(1)工作面頂板預裂切斷頂板的完整性,增大了冒落帶高度,有效解決了工作面“四含”水的威脅,避免了出水壓架的風險。

(2)工作面老塘頂板冒落充分,不會出現來壓劇烈頂板大面積垮落現象,防止因大面積頂板垮落帶來的沖擊波對施工人員的傷害,避免采空區瓦斯瞬間大量涌出造成瓦斯超限的風險。

工作面回采前期,由于風巷頂板爆破參數處于摸索階段,頂板進入老塘后經常出現大面積懸頂現象,多次導致工作面停止推進,平均推進度約1.8 m/d(日循環3刀煤)。而爆破參數成熟后,風巷頂板冒落基本充分,工作面推進度達到4.8 m/d(日循環8刀煤),產能提高1倍以上,且8煤配合9煤混洗,效果顯著,精煤回采率最高可達60%以上,經濟效益巨大。