張憲軍(山西古縣西山登?？得簶I(yè)有限公司,山西 臨汾042400)

1 前言

當(dāng)工作面開采的煤層頂板堅(jiān)硬時,在初采階段頂板容易在采空區(qū)內(nèi)大面積懸空。若采空區(qū)內(nèi)懸露頂板突然垮落,會給工作面回采設(shè)備以及通風(fēng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重沖擊,給煤炭正常生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅[1-3]。堅(jiān)硬頂板具有厚度大、裂隙不發(fā)育等特點(diǎn),現(xiàn)階段常用水力壓裂、深孔爆破等方式來達(dá)到頂板弱化目的[4-7]。本文以登?？档V12108 綜采工作面為研究對象,采用深孔爆破方式對開采的2#煤層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行處理,現(xiàn)場應(yīng)用后工作面初次來壓步距及來壓強(qiáng)度顯著降低,為工作面回采安全創(chuàng)造了良好條件。

2 工程概況

2.1 工作面基本情況

登?？档V開采的2#煤層厚度平均1.13m,煤層結(jié)構(gòu)簡單,中間夾雜0～3 層矸石,傾角平均5°。12108 綜采工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度、切眼斜長分別為870m、145.5m。2#煤層上有賦存不穩(wěn)定的泥巖偽頂、頂板直接頂為細(xì)粒砂巖(厚5.07m)、基本頂粉砂巖(厚度4.38m),底板為泥巖,厚度7.82m,具體頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 頂?shù)装鍘r性

2.2 頂板力學(xué)參數(shù)測試

為了掌握2#煤層頂板巖層裂隙擴(kuò)展情況,在12108 工作面開切眼內(nèi)施工窺視鉆孔,鉆孔孔深為9.5m、孔為28mm。鉆進(jìn)且沖洗干凈鉆孔后,采用窺視儀對窺視鉆孔圍巖裂隙擴(kuò)展情況,具體直接頂細(xì)粒砂巖、基本頂粉砂巖窺視情況如圖1所示。

圖1 頂板鉆孔窺視示意圖

從窺視結(jié)果看出,2#煤層頂板細(xì)粒砂巖、粉砂巖等巖層完整性較好,裂隙不發(fā)育?，F(xiàn)場采樣對2#煤層、直接頂細(xì)粒砂巖及基本頂粉砂巖進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測試,具體測試結(jié)果見表2。

表2 2#煤層及頂板巖層力學(xué)參數(shù)

從表中看出,2#煤層上覆的細(xì)粒砂巖、粉砂巖強(qiáng)度以及彈性模量均較高,屬于堅(jiān)硬頂板,開采過程中頂板不易破斷。根據(jù)其他采區(qū)2#煤層開采情況,預(yù)計(jì)12108 工作面頂板初次來壓步距可達(dá)到59.5m,工作面斜長為145.5m,則采空區(qū)懸頂面積8 657m2。若工作面開采過程中采空區(qū)懸空頂板突然垮落勢必會給工作面回采安全帶來嚴(yán)重威脅,為此提出采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)對2#煤層頂板堅(jiān)硬進(jìn)行處理。

3 堅(jiān)硬頂板弱化方案

12108工作面采用綜采工藝,開切眼斜長為145.5m,頂板弱化處理范圍為工作面走向方向60m。采用定向控制爆破方式在開切眼內(nèi)、回采巷道內(nèi)對2#煤層堅(jiān)硬頂板進(jìn)行弱化處理。

3.1 開切眼頂板爆破弱化方案

在12108 工作面開切眼內(nèi)布置2 排爆破孔,排距為1.0m,爆破孔間距均為5m。第1 排鉆孔平行開切眼方向并有60°仰角、鉆孔深度控制為15m、孔徑為94mm;第2 排鉆孔與煤壁間有50°夾角、仰角為60°,鉆孔孔深為15m、孔徑94mm。具體鉆孔布置如圖2所示,施工參數(shù)見表3。

圖2 開切巖內(nèi)頂板爆破鉆孔布置示意圖

表3 施工參數(shù)

通過在開切眼內(nèi)布置第1 排爆破鉆孔,切斷2#煤層基本頂應(yīng)力傳遞路徑,從而使頂板由四端固支受力狀態(tài)改為三端固支受力狀態(tài);在開切眼內(nèi)布置第2 排爆破鉆孔,主要起到增加開切眼頂板破碎范圍作用,使得工作面開采后頂板分段垮落來壓,避免頂板集中來壓給綜采支架帶來較大動力沖擊。

3.2 回采巷道內(nèi)頂板爆破弱化方案

在工作面回風(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道內(nèi)每隔10m 布置一組爆破,共計(jì)弱化60m 范圍,具體鉆孔布置如圖3所示,爆破參數(shù)見表4。

圖3 巷道上方頂板炮眼布置示意圖

表4 巷道上方頂板爆破參數(shù)

3.3 開切眼及回采巷道內(nèi)爆破孔施工

在工作面開切眼內(nèi)以及回采巷道內(nèi)采用2 臺型號ZDY750 鉆機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)施工炮眼。鉆孔鉆進(jìn)時采用直徑94mm 三翼金剛石鉆頭、配套的鉆桿直徑為75mm、長度1 000mm。由于爆破孔較深,為了便于裝藥,采用特殊的被筒炸藥,炸藥直徑及長度分別為75mm、1 000mm;被筒炸藥用抗燃燒及抗靜電的管材材料制作。

在爆破孔裝藥前先采用炮棍探孔,避免鉆孔塌孔導(dǎo)致裝藥失敗,封孔采用壓風(fēng)封孔器,封孔材料為水、粉煤灰、石灰及水泥拌合物。

4 頂板弱化效果分析

在12108 綜采工作面液壓支架安裝完畢后,在開切眼內(nèi)施工爆破鉆孔弱化堅(jiān)硬頂板。工作面推進(jìn)2～3 刀后,在液壓支架后進(jìn)行裝藥、封孔、爆破,起爆順序由運(yùn)輸順向回風(fēng)巷道方向。開切眼內(nèi)爆破孔爆破后頂板出現(xiàn)有明顯的“溝槽”裂隙,工作面推進(jìn)一段距離后2#煤層上覆堅(jiān)硬底板垮落,充填采空區(qū)。

在工作面上(靠近回風(fēng)巷道)、中及下(靠近運(yùn)輸巷道)3 個區(qū)段布置8 個壓力傳感器對液壓支架工作阻力變化情況進(jìn)行監(jiān)測,從而對頂板來壓情況進(jìn)行監(jiān)測分析。具體監(jiān)測獲取到的工作面初次來壓情況見表5。

從表5看出,工作面初次來壓步距平穩(wěn)為26.2m、來壓時動載系數(shù)為1.35。同時在工作面初采期間,未出現(xiàn)頂板切頂、支架壓死等現(xiàn)象,達(dá)到頂板弱化預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)通過鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)2#煤層頂板細(xì)粒砂巖、粉砂巖均較為完整,裂隙不發(fā)育。取樣測試發(fā)現(xiàn)細(xì)粒砂巖抗壓強(qiáng)度以及彈性模量分別為132.5MPa、40.2GPa,粉砂巖抗壓強(qiáng)度以及彈性模量分別達(dá)到133.9MPa、39.4GPa,屬于堅(jiān)硬頂板。根據(jù)以往開采經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)12108 綜采工作面回采時頂板初期來壓步距可達(dá)59.5m,若不采取措施則采空區(qū)懸頂面積為8 657m2,給工作面回采安全帶來。

表5 工作面初次來壓監(jiān)測結(jié)果

(2)根據(jù)12108 工作面情況,提出在開切眼內(nèi)以及回采巷道內(nèi)布置爆破孔弱化煤層堅(jiān)硬頂板?，F(xiàn)場應(yīng)用后工作面初次來壓步距降低至26.2m,工作面在來壓期間未出現(xiàn)頂板切頂、支架壓死等現(xiàn)象,現(xiàn)場應(yīng)用取得較好的頂板弱化效果。