綜放開采頂板弱化實踐應用

張麗芳

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

0 引言

近年來煤炭資源不斷減少，開采深度逐步增加，硬質頂板煤層開采比例在不斷提高。在回采硬質頂板煤層時，頂板來壓強度高，作用區域廣，如果不采取措施弱化頂板來壓強度和來壓影響，將會造成采空區大面積懸空，嚴重威脅煤礦安全生產[1]。頂板弱化技術有深孔預裂爆破技術、開切眼及回采巷道布置預裂爆破孔技術、水力壓裂技術、二氧化碳氣體致裂技術等，其中預裂爆破技術相較于水力壓裂技術、二氧化碳氣體致裂技術，對工人及設備專業度要求較低，為煤礦井下較常使用的頂板弱化技術[2]。本文以山西省某煤礦2301 綜放工作面為例，根據其地質構造與煤層賦存情況，選擇合理的頂板弱化技術并進行工程實踐。

1 工程概況

山西省某煤礦2301 綜放工作面為首采工作面，沿傾向布置，走向推進。該綜放工作面長820 m，推進長790 m，切眼斜長250 m，平均煤層厚度為5.9 m，夾矸總厚度為0.34 m；頂板以硬質砂巖為主，煤層頂板圍巖特征，如表1 所示。

表1 2301 工作面煤層頂板圍巖特性參數表

該煤礦11203 回采工作面位于2301 工作面附近，靠近井田邊界，地質結構、煤層賦存與2301 工作面相近，頂板圍巖主要由硬質砂巖組成。通過該工作面開采作業實際情況，初步預測2301 工作面回采作業煤層頂板初次來壓步距在35～55 m 之間，并通過理論計算得到初次來壓步距38.77 m。

2 煤層頂板圍巖來壓分級

通常將初次來壓步距超過25 m 且強度指標超過120 的煤層頂板稱為硬質頂板。頂板冒落來壓當量計算如公式（1）：

式中：p 為頂板冒落來壓當量；L 表示初次來壓步距；N 為覆蓋巖體填充系數；hi為頂板厚度；hm為采高。取值如下：L=38.77 m，N=1.5，hi=1.65 m，hm=4.85 m

計算可得頂板冒落來壓當量p=1 133.7 kN/m2。根據頂板分級指標，該工作面煤層頂板p 值超1 075，頂板來壓屬于非常強烈等級，如果首采過程中不對頂板進行弱化，回采時將會造成煤層頂板大面積冒落，影響作業安全高效進行。綜上，需對2301 綜放工作面煤層頂板進行弱化處理[3]。

3 煤層頂板弱化技術及應用

結合該煤礦地質構造與2301 工作面煤層頂板厚度、裂隙發育情況，確定使用深孔爆破技術進行頂板弱化處理。

3.1 煤層頂板弱化鉆孔施工參數

2301 工作面5# 煤層的基本頂板厚度平均為7.94 m，巖性為中粒砂巖，頂板對上部巖體冒落具有直接影響。在回采過程中，要把這種中粒砂巖作為弱化靶向巖層，以確?；夭珊箜敯鍘r體能夠及時冒落。弱化鉆孔布設范圍應至少為直接頂（2.65 m）與基礎頂（7.94 m）厚度之和，即至少10.59 m，為方便實際鉆孔施工，增強頂板弱化效果，將煤層頂板弱化范圍設為11.0 m。詳細參數如表2 所示。

表2 深孔爆破技術鉆孔施工參數表

3.2 煤層頂板弱化鉆孔布設方案

結合該煤礦實際情況，2301 工作面在切眼處布設5 組煤層頂板弱化爆破孔，每組4 個鉆孔，傾斜角度控制在28°～32°之間，鉆孔布設圖如圖1 所示。爆破鉆孔內填充炸藥使用煤礦準用三級乳化炸藥，裝填在礦山自產裝藥設備中，裝藥長度6 m，用水泥漿（按水泥漿用量1%加入花千素）封閉鉆孔，水泥漿封孔深度應大于5 m，鉆孔裝填順序從下到上依次為三級煤礦準用乳化炸藥藥柱、電雷管、水泥漿封孔、雷管腳線、注漿管與反漿管，其中注漿管長度為3 m，反漿管長度為6 m，兩管平行插入水泥漿封孔內，間隔大于10 cm，且均露出水泥漿長度1 m。

圖1 煤層頂板弱化鉆孔布設示意圖（單位：m）

2301 綜放工作面煤層頂板弱化施工順序為：布設鉆孔、三級乳化炸藥裝填、水泥漿封孔、雷管接線、進行爆破。用于爆破的鉆孔雷管接線整體采用串聯連接，每組鉆孔局部并聯連接。該工作面切眼中布設5組煤層頂板弱化爆破孔，每組4 個鉆孔，采用主-備結構布設，即其中3 個為實際爆破孔，裝填三級乳化炸藥，1 個為備用爆破孔，當該組中實際爆破孔出現塌孔或其他影響爆破的情況時及時啟用。

4 煤層頂板弱化實際效果分析

評價綜采工作面煤層頂板弱化效果的指標主要為煤層頂板來壓步距和頂板圍巖裂隙發育情況[4]。在該煤礦2301 綜放工作面使用YTJ20 型巖層探測記錄儀對煤層頂板圍巖裂隙發育情況開展探測，該型號巖層探測儀可以實時探測并記錄巖體深度，結合巖層裂隙可視化測量系統，可實現對巖體離層、破裂、破碎巖體裂隙寬度和范圍進行測量。煤層頂板弱化施工前后巖層裂隙探測圖對比情況如圖2 所示。

圖2 2301 工作面煤層頂板弱化前后裂隙探測對比圖

由該探測圖圖可知，煤層頂板弱化施工前鉆孔孔壁光滑平整，無明顯巖層裂隙發育;煤層頂板弱化施工后鉆孔孔壁附近出現貫通的爆破裂隙，探測表明在該工作面煤層頂板采用深孔爆破技術可有效改變頂板圍巖完整性，降低頂板巖層強度，實現頂板弱化。對該工作面回采作業期間內煤層頂板來壓步距、來壓動載系數等來壓情況實施監測，監測結果如表3 所示。通過該監測結果可知，2301 綜放工作面回采作業期間頂板初次來壓步距平均值為19.5 m，相較于弱化施工前初次來壓步距38.77 m 降低49.7%，頂板初次來壓動載系數均值為1.35。根據監測可知，該工作面煤層頂板在來壓期間液壓支架工作阻力并未發現明顯改變，僅在局部區域內出現小范圍片幫，不會對工作面回采作業造成影響[5]。根據上述監測結果分析表明，該煤礦2301 工作面煤層頂板采取的深孔爆破弱化技術在實際應用中效果顯著，同時，該弱化技術對工人及設備專業度要求較低，可降低弱化成本。

表3 2301 工作面回采期間初次來壓情況監測表

5 結語

某煤礦2301 綜放工作面煤層頂板以硬質中粒砂巖為主，如果不采取措施弱化頂板來壓強度和來壓影響，回采后會造成采空區大面積懸空，嚴重威脅煤礦生產作業的安全進行。根據該煤礦實際情況，測算頂板圍巖來壓情況，判定分級情況，并確定采用深孔爆破技術進行頂板弱化處理。通過合理布設爆破鉆孔、充填爆破炸藥，對該煤層頂板進行爆破弱化，并使用巖層探測記錄儀對頂板來壓情況進行實時監測。監測結果表明，弱化后來壓步距降低49.7%，來壓動載系數較低，且成本較低，此次煤層頂板弱化效果明顯。