坚硬特厚煤层综放工作面顶板弱化技术应用研究

赵 斌

（山西煤炭进出口集团左云韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037100）

韩家洼煤业顶底板条件为特有的“三硬”条件，顶、底板及煤强度高，顶煤普氏系数平均为2.5，自然放顶时顶煤回收率低，资源浪费严重，冒放性差，采空区悬顶面积大，造成了极大的安全隐患。为了提高顶煤冒放率，增加经济效益，防止回采期间顶板大面积突然垮落，工作面顶板的弱化管理十分重要。

1 工作面概况

22#煤层上距19#煤层平均间距38.54m，煤层厚度10.35～15.82m，平均11.78m，含2～5层夹矸，结构较复杂，全井田分布，属稳定煤层。煤层瓦斯绝对涌出量和相对涌出量低，为低瓦斯煤层。22201工作面走向长833.8m，切眼长150m。煤层直接顶以粉、细砂岩为主，厚度4～6m；基本顶为中、粗砂岩，厚度平均22.7m；底板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及少量的炭质泥岩，厚度4～5m。工作面为南西高北东低的单斜构造，根据22201两顺槽巷道资料，初采期间无断层及其他构造影响，22201综放工作面直接顶初次垮落步距为18m，基本顶初次跨落步距为30～35m。根据地质资料及现场钻孔资料，绘制22201工作面综合柱状图，如图1所示。

2 顶板弱化机理及弱化手段

（1）常见的弱化方法及机理

对于顶板弱化一般采用注水法和爆破预裂弱化法。注水弱化法是指通过对坚硬顶板场地高压注水，在水—岩作用的机理下，利用岩石的水理性质，通过水的物理和化学软化作用，降低岩石物理力学强度，实现顶板弱化。爆破预裂弱化法是采用爆破的方法，增加煤岩体裂隙，破坏煤岩体内部结构，达到顶板强度的弱化。

图1 工作面综合柱状图

（2）坚硬顶板弱化机理

坚硬顶板的弱化指从顶板的能量积聚和顶板裂隙节理角度，通过人工干预的方法，对顶板的能量进行释放，并且增加顶板的裂隙节理，使其形成松散结构，达到降低顶板强度，使顶板的极限跨距减小的目的，加快顶板的跨落，避免因长期悬顶造成的可能出现的安全事故。在坚硬顶板的弱化处理工艺中，最常见的为注水法和爆破法。其中注水法由于技术难度高，成本大，效果差，未得到广泛应用，因此爆破法弱化顶板更适宜韩家洼坚硬顶板的弱化工艺。爆破法弱化顶板是采用矿用安全炸药对坚硬顶板的关键位置进行结构性爆破破坏，增加顶板的裂隙和节理数量以及发育程度，使坚硬顶版的物理力学强度：抗压强度、抗剪强度、内摩擦角与弹性模量大幅度降低，使坚硬顶板的冒落性提高。而且利用炸药爆破可以更好地释放顶板弹性能，削弱顶板抗剪能力，预防因工作面支承压力过大造成的压死液压支架安全事故。

（3）爆破弱化方法选择

浅孔循环式爆破、深孔地面爆破和深孔预制裂缝爆破法是三种顶板爆破弱化方法。深孔地面爆破是通过地面打孔，进行爆破弱化顶板，该方法顶板弱化效果最佳，但由于在钻孔钻探方面花费较高，耗时耗力，一般用于浅埋煤层条件下的顶板弱化。浅孔循环式爆破指钻孔深度小于5m的浅层多循环作业的爆破方法，其主要被用于较软弱顶板，由于工艺繁杂，钻孔数量要求较多，极大影响工作面的生产效率。深孔预制裂缝爆破法是通过深孔炸药大范围爆破，使顶板爆破达到预先设计裂缝效果。深孔预制裂缝爆破法，因为爆破钻孔所需炸药药量较小，爆破效果可控制，工艺较简单，爆破作业效率较高，可配合综采和综掘设备实现掘进—爆破—装运机械一体化。对比研究韩家洼煤矿22201工作面地质条件及生产技术条件，使用深孔预制裂缝爆破法弱化其坚硬顶板。

超前深孔爆破主要指在工作面两侧顺槽巷道顶板处打眼，在距工作面前方15～30m处进行深孔爆破，使顶板提前破碎，进而减小顶板的极限垮落步距。设超前深孔爆破后顶板的极限垮落步距为L0″，则其力学模型如图2所示。

图2 超前深孔爆破力学模型

3 超前深孔爆破方案

3.1 爆破孔深度

根据矿井实际地质条件，22201工作面设计采高为3m，则初次深孔爆破深度应为

式中：

Hl2-深孔爆破深度，m；

n-安全爆破系数，取1.2；

H-工作面顶煤垮落高度，H=M/(Kρ-1)，M为工作面采高，取3.0m，Kρ为岩石碎涨系数，取1.25，则顶板冒落高度为12m；

θ-最大爆破仰角，取35°。

将数据代入可得初次深孔爆破高度为25m，初次切断孔为20m，步距深孔爆破深度为初步放顶孔深度3/5，故步距深孔爆破深度应为15m。

3.2 放顶孔布置方式及参数

本次爆破设计炮孔直径为65mm，装药不耦合系数为1.3，分别在工作面切眼和两侧顺槽处布置炮孔，使用二级煤矿许用炸药，每孔装药长度为孔深的2/3，装药2kg/m，充填长度为孔深的1/3，充填物为黄土，具体布置方案如下。

（1）初次放顶孔

初次放顶孔为水平扇形孔，分别布置在头、尾两顺槽巷内，距开切眼15m的位置上。每组布置5个孔，其中正孔3个，转角70°，仰角15°、25°、35°，切断孔2个，转角15°，仰角25°、35°，正孔深25m，切断孔深20m，如果遇到顶板白砂岩，停转。位置布置如图3所示，详细参数见表1。

图3 初次放顶孔布置图

表1 初次深孔爆破参数表

表2 步距深孔爆破参数表

（2）步距放顶孔

步距放顶孔为水平扇形孔，分别布置在头、尾两顺槽巷内，距上一次钻孔15m，共布置数组，直到基本顶完全垮落。每组布置4个孔，其中正孔2个，转角70°，仰角25°、35°，切断孔2个，转角15°，仰角25°、35°，孔深均为15m，如果遇到顶板白砂岩，停转。位置布置如图4所示，详细参数见表2。

图4 步距放顶孔布置图

4 应用效果

该技术的可行性需要通过现场顶板的弱化效果检验，为验证工作面顶板的弱化效果，可以分别从顶板垮落效果和矿压的变化来判断。将深孔预裂爆破技术应用于22201工作面，并进行现场实测，观测发现工作面顶板冒落块度满足综放采煤基本要求，直接顶的垮落步距相对下降，载荷变化平缓。工作面直接顶未采用该技术前的初次来压步距为18m，基本顶初次来压步距为63m，周期来压步距为27m。采用深孔预制裂缝爆破法弱化顶板后，发现直接顶初次来压步距降为8m，基本顶初次来压步距为32m，周期来压步距为14m。直接顶初次垮落步距减小了55.6%，基本顶初次垮落降低49.2%，周期垮落步距降低48.1%，坚硬顶板实现了弱化，冒落程度明显提高。工作面回采率也提升了15%，资源回收率的增加带来了极大的经济效益，说明了本次深孔预裂爆破顶板弱化技术应用取得了成功。