堅硬頂板特厚煤層綜放工作面切頂卸壓技術研究與應用

李睿峰

(馬道頭煤業有限責任公司，山西 大同 037100)

大同礦區現主采煤層為石炭系太原組3～5號特厚煤層，主要開采方法為一次采全厚綜采放頂煤采煤法，近年來為響應綠色開采號召，提高資源回收率，逐步開始推廣小煤柱沿空掘巷技術[1-2]。因煤層頂板屬于堅硬頂板，工作面初采期間礦壓顯現強烈，頂煤冒放性差；臨空側小煤柱巷道雖處于采空區側向應力降低區內，但同時也伴隨著巷道圍巖整體松軟破碎，小煤柱整體完整性較差，承壓能力弱，不利于巷道維護，為綜放工作面安全管控帶來一定隱患。為了給本工作面及相鄰工作面回采創造有利的安全條件，通過借鑒同類礦井經驗[3-5]，本文提出采用切頂卸壓技術來解決工作面的強礦壓顯現問題。

1 工程概況

同忻礦位于大同煤田東部，主采石炭系太原組3～5號特厚煤層，煤層平均煤厚12.54 m，煤層平均傾角1.5°.8210綜放工作面為三巷布置，分別是進風巷2210、回風巷5210、高抽巷。8210綜放工作面設計可采走向長度768 m，傾向長度235 m，該工作面為同忻礦第三個小煤柱工作面，其中5210巷為沿空小煤柱巷道，與相鄰8305工作面采空區煤柱寬度5 m.工作面平均埋深519.9 m，頂板以泥巖及砂巖為主，其中上覆K3及K8屬于堅硬頂板，距3～5號煤層底板距離分別為18.06 m、43.65 m.

2 礦壓治理方案設計

2.1 初采切眼爆破放頂

致裂目標層位為K8砂巖，爆破終孔位置在K8砂巖14 m處，處于該層砂巖厚度的2/3處。由于鉆孔長度和仰角過大將不易裝藥等施工工序，因此將炮孔垂高定為56 m，鉆孔深度65 m，仰角60°.

在工作面切巷深孔布置三組爆破炮孔，其中A組為切頂孔共計26個，深度65m，仰角60°，水平方向上與切巷夾角30°；B組為破碎孔共計23個，深度40 m，仰角30°，與切巷方向夾角10°；C組爆破鉆孔6個，深度60 m，仰角70°和80°.

在工作面兩巷布置D組鉆孔16個，深度60 m，仰角45°，5210巷自切巷10 m起開始布置9個，每個鉆孔間距5 m；2210巷自切巷10 m起開始布置，D10、D11、D13、D14、D15、D16鉆孔垂直于2210巷，各組間距5 m，D12與2210巷夾角為75°；5210巷布置E組鉆孔9個，深度65 m，仰角60°，間距5 m；2210巷布置F組鉆孔7個，深度70 m，仰角30°；F3與2210巷夾角分別為75°，其余均垂直于2210巷。2210巷靠煤柱側1.5 m布置G組鉆孔9個，深度60 m，仰角60°，間距2 m.爆破孔布置如圖1所示。

圖1 爆破孔設計平剖面圖

2.2 5210巷爆破切頂卸壓

5210巷爆破切頂孔設計孔深39 m，鉆孔直徑70 mm，距煤柱幫1 m，孔間距1.5 m，鉆孔傾角α=80°，鉆孔傾角β=70°，如圖2所示。爆破切頂選用三級煤礦許用乳化炸藥，炮孔內分為裝藥段和封孔段，裝藥段采用聚能管裝藥，炸藥間隔安裝，每6卷炸藥采用水炮泥分隔；封孔段采用注漿封孔，孔內并聯、孔間串聯連接。炸藥引爆采用“礦用電雷管+礦用導爆索”引爆，導爆索沿聚能管布置，布置在聚能管內，在聚能管最下部采用兩發雷管引爆，一起爆破的炮眼雷管段別相同。

圖2 5210巷爆破切頂鉆孔布置示意

2.3 2210巷水力致裂

2210巷超長孔定向水力壓裂施工涉及整條巷道，為下一工作面沿空小煤柱巷道掘進、維護提供保障，壓裂目標層位對應頂板情況如表1所示。鉆場設計如圖3所示。

表1 鉆場對應壓裂層位

圖3 鉆場設計

3 礦壓治理效果

初采前，工作面切眼爆破放頂孔已全部施工并爆破完畢，5210巷爆破切頂孔已全部施工完畢并完成爆破80 m，2210巷超長孔定向水力壓裂已全部施工并致裂完畢。回采期間，5210巷深孔預裂爆破應在采動范圍外進行，現場超前工作面40 m爆破。通過將8210工作面與相鄰已回采的8305工作面進行對比，分析本次礦壓治理效果。

3.1 初采爆破放頂效果說明

8305工作面初次來壓礦壓顯現強烈，工作面安全隱患大，安全管控難度高，不利于工作面安全高效回采。8210工作面初采爆破放頂后，工作面礦壓顯現平緩，日常生產工作及設備均不受影響，工作面無安全隱患，8210及8305工作面初采期間礦壓特征對比如表2所示。

表2 初次來壓顯現對比

3.2 5210巷爆破切頂卸壓效果說明

8210工作面為同忻礦開采的第3個小煤柱工作面，通過比較圍巖控制率來比較切頂卸壓效果效果，圍巖控制率為巷道變形后斷面與原設計斷面之比，5210巷原設計斷面為5.2 m×3.8 m，5210巷回采過程中平均巷道斷面4 m×3 m，圍巖控制率為60%，相臨8305工作面5305小煤柱巷回采期間平均巷道斷面2.5 m×1.8 m，圍巖控制率在23%.5210巷采用爆破切頂卸壓后巷道變形得到極大控制，圍巖控制率提高了37%.

3.3 2210巷水力致裂效果說明

2210巷水力致裂起裂壓力分布在20～31 MPa，保壓壓力在16～23 MPa；壓裂期間切眼和巷道有明顯的滲水漏水現象，可以判斷出壓裂半徑在10 m以上，現經過2個鉆場12個孔的超長孔定向水力壓裂，2210巷端頭懸板隨采隨落，有效消除了2210巷懸板隱患，同時為下一個工作面小煤柱巷道提供了良好的應力環境。

4 成本及經濟效益

4.1 成 本

1) 初采爆破放頂成本。切眼初采爆破放頂成本包含鉆孔費170.8萬元、爆破材料費15.3萬元、人工費5.2萬元，總計成本191.3萬元。

2) 5210巷爆破切頂卸壓成本。5210巷爆破切頂卸壓成本包含鉆孔費594.4萬元、注漿設備費14.3萬元、爆破材料費165.3萬元、人工費25.6萬元，總計成本799.6萬元，每米成本1.04萬元。

3) 2210巷水力致裂成本。2210巷水力致裂成本包含鉆孔費962.6萬元、致裂費567萬元、人工費138.2萬元，總計成本1 667.7萬元，每米成本2.1萬元。

4.2 經濟效益

1) 煤炭回收經濟效益。8210工作面較8305工作面相比可放煤距離提前7 m，整個初采階段頂煤回收率提升25.6%，工作面初采期間較8305工作面多回收精煤11.6萬t，共創造經濟效益8 120萬元。

2) 礦壓治理經濟效益。傳統小煤柱巷回采期間補強支護多、單體木垛回收率低，巷道維護成本高，5210巷采取爆破切頂后回采期間無需采取其他巷道維護措施，對比5305小煤柱巷維護成本節約176萬。

5 結 語

1) 8210工作面切眼爆破放頂后，初采可放煤距離大大縮短，頂煤完全垮落步距由19 m減少至12 m；頂煤冒放性增強，回收率提高了25.6%；工作面初次來壓步距及來壓強度得到有效縮短弱化，端頭懸板垮落步距大大減少，初次來壓期間礦壓顯現平緩，來壓期間支架行程全部滿足要求。

2) 5210巷采用爆破切頂卸壓后巷道變形得到極大控制，圍巖控制率提高了37%.

3) 2210巷采用水力致裂后，端頭懸板隨采隨落，有效消除了端頭懸板超標隱患，同時為下一個工作面小煤柱巷道提供了良好的應力環境。

4) 8210工作面較以往小煤柱工作面，初采可增加精煤回收11.6萬t，創收8 120萬元，節約巷道維護費用176萬元。