厚煤層綜放工作面初采放頂技術應用

趙逢利

(和順縣應急管理局,山西 晉中 032700)

我國大多數煤礦多采用垮落法處理采空區頂板,正常條件下,工作面頂板會隨著推進距離的增大逐漸垮落,但部分礦井由于覆巖強度大,巖層難以垮落,導致采空區懸頂面積增大,當頂板一次性垮落后將產生強烈的礦壓顯現現象,造成工作面壓架等事故發生,影響礦井安全生產[1-3].

一緣煤礦開采15號煤,煤層厚度平均為5.5 m,傾角為0°～13°,煤層結構簡單,含有2～3層夾矸。150108工作面位于井田西南部,工作面西側為150110工作面采空區,東側為實體煤,北側為開拓大巷,南側為井田邊界。工作面傾斜長度為200 m,推進長度為710 m,采用放頂煤開采工藝,采高為2.8 m,放煤高度為2.7 m. 150108工作面頂板屬于堅硬頂板,根據相鄰150110工作面回采礦壓顯現情況,工作面初次來壓步距為36.8 m,動載系數達到2.97,同時來壓期間液壓支架頻繁出現安全閥開啟現象,由此可見工作面初次來壓強度較大,嚴重影響工作面安全回采。為保證150108工作面堅硬頂板的及時垮落,對綜放工作面初采期間爆破放頂技術進行研究。

1 深孔爆破預裂放頂技術方案

深孔爆破預裂卸壓的實質是通過在頂板內布置爆破孔,借助具有聚能效應的聚能管實現定向切縫,減小采空區側懸頂長度,達到卸壓目的。為降低工作面初采期間來壓強度與來壓步距,在工作面初采前進行深孔爆破預裂,保證頂板巖層隨著工作面回采及時垮落。根據150108工作面頂板巖層分布情況,煤層上方巖層巖性依次為泥巖1.8 m、砂質泥巖2.3 m、中砂巖7.3 m,巖層總厚度為11.4 m,頂板預裂主要針對其上方7.3 m厚的中砂巖巖層,該巖層位于煤層上方11.4 m處,因此深孔爆破鉆孔垂直高度應不小于11.4 m.

1.1 深孔爆破方案

工作面切眼內布置一排爆破卸壓鉆孔,鉆孔距切眼采空區側煤幫1 m,鉆孔與水平夾角為30°,向工作面推進方向施工,鉆孔深度為24 m,間距為2 m,鉆孔布置見圖1. 深孔爆破采用聚能爆破方式,根據礦井所用炸藥,炸藥直徑φ45 mm,聚能管最寬處63 mm,結合工作面頂板巖性、不耦合系數以及以往頂板深孔爆破預裂經驗以及施工進度等要求,設計鉆孔直徑為75 mm,施工頂板爆破鉆孔時,選用φ75 mm的鉆頭,φ63 mm的鉆桿。

圖1 深孔爆破鉆孔布置

根據《煤礦安全規程》規定,深孔爆破時封孔長度不低于孔深的1/3,采用聚能管輔助連續裝藥,單根聚能管2.0 m,為便于施工操作,因此裝藥段長度為16 m,封孔段長度為8 m,每個鉆孔內安裝聚能管8根,頂部3根聚能管每根裝藥8卷,中部2根聚能管每根裝藥4卷,下部3根聚能管每根裝藥8卷。爆破鉆孔內采用不耦合方式間隔裝藥,為保證安全,簡化操作,同時確保爆破眼內炸藥完全引爆,采用雙雷管,雙導爆索引爆,每一根導爆索均采用瞬發電雷管起爆,2個雷管采用并聯連接,裝藥結構示意圖見圖2.

圖2 裝藥結構示意

1.2 鉆孔封孔工藝

爆破鉆孔采用“兩堵一注”囊袋式灌注封孔工藝,封孔結構示意圖見圖3. 1、2號爆破片開啟壓力小于3號爆破片開啟壓力,當漿液通過注漿管進入后,1、2號爆破片受壓打開,囊袋被漿液充滿膨脹,達到一定壓力后1、2號爆破片封閉,漿液順著注漿管將3號爆破片打開,完成“兩堵一注”。與炮泥封孔工藝相比,該封孔工藝氣密性更好,有利于爆破沖擊波在頂板深部傳播,提高爆破效果。

圖3 封孔結構示意

封孔注漿采用2ZBQ40/11型注漿泵,該泵雙缸獨立,兩個吸排口能夠同時吸漿、出漿,使漿液按照1∶1混合,注漿泵工作壓力在0～11 MPa,流量均勻。漿液攪拌桶單筒容量100 L,合計200 L,單次攪拌能夠滿足3個炮孔封孔使用量(150 L).

2 現場實踐

確定150108工作面切眼深孔爆破方案后,在工作面回采前進行深孔爆破,共施工爆破孔105個,累計爆破105個炮孔,2022年8月深孔爆破結束,10月開始回采,截止10月28日,工作面共推進100 m,推進過程中對液壓支架工作阻力進行監測,監測結果見圖4,來壓數據見表1.

表1 工作面來壓數據

圖4 液壓支架監測結果

根據監測結果,當工作面推進至26.5 m時已全范圍發生來壓,因此工作面初次來壓步距為26.5 m,來壓時工作面動壓系數為1.76,對比相鄰150110工作面初采期間來壓情況,工作面初次來壓步距降低了28.9%,來壓強度降低40.7%,來壓強度明顯減小,并且工作面初次來壓期間,工作面煤壁未出現大量片幫。

3 結 論

以一緣煤礦150108工作面地質條件為背景,采用現場試驗方法,對厚煤層放頂煤初采深孔爆破放頂技術進行了應用,設計了工作面初采前切眼深孔爆破技術方案,確定了爆破鉆孔參數,并對裝藥方式、封孔工藝進行了研究應用。在現場進行深孔爆破試驗后,對工作面初采期間礦壓顯現情況進行了監測,深孔爆破后工作面初次來壓步距降低了28.9%,來壓強度降低40.7%,來壓強度明顯減小。可見,采用深孔爆破放頂技術后能夠達到初采卸壓的目的。