張江波

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 沁水 048214）

我國煤炭資源儲量豐富，但賦存較為復雜，由于煤層賦存條件的不同，使得煤層頂板呈現不同的巖性。 堅硬頂板是指煤層頂板由砂巖、頁巖等質地堅硬巖層組成，在開采過程中由于巖性較為堅硬，采空區(qū)頂板難以垮落，易形成大面積的懸頂，一旦懸頂發(fā)生垮落，將會導致工作面支護嚴重破壞[1-2]。對于留煤柱開采的礦井，堅硬頂板會造成相鄰工作面間煤柱尺寸大幅度增加，降低采區(qū)回采率；而對于無煤柱開采的礦井，由于堅硬頂板的存在使得工作面預留巷道的變形增大，造成支護成本增高。 所以，對堅硬頂板進行治理是礦井開采的重要研究課題[3]之一。有眾多學者對堅硬頂板治理作出過研究，謝海博等人[4]為了解決堅硬頂板難垮難落的問題，利用數值模擬軟件對不同應力差、鉆孔直徑和預制裂縫角下巖石的起裂特征進行研究，給出了不同施工參數下的巖石起裂特征，為礦井安全生產作出一定的貢獻。 目前我國研究頂板弱化較多是針對頂板弱化參數進行研究，較少研究治理后的礦壓顯現情況，所以本文以玉溪煤礦1301 工作面為研究對象，通過現場實踐對堅硬頂板弱化工藝及弱化后的礦壓規(guī)律進行研究，為礦井安全開采提供一定的借鑒。

1 背景介紹及弱化施工

1.1 背景介紹

玉溪煤礦為年產2.4 Mt 的新建礦井及配套選煤廠項目，位于沁水縣胡底鄉(xiāng)玉溪村，井田面積26.147 km2，批準開采3#煤層，地質儲量216 Mt，可采儲量135 Mt。 煤層厚度5.8～6.2 m，平均厚度6.1 m。 煤層底板約1 m 位置發(fā)育0～0.5 m厚夾矸一層，煤層頂板以下約1 m 位置發(fā)育0.1～0.5 m 厚軟煤。 開采煤層為近水平煤層，煤層傾角為0°～10°，平均傾角為3°。 頂底板巖性如表1 所示。

表1 頂板巖性

1.2 頂板弱化施工

玉溪煤礦1301 工作面采用深孔爆破方式進行頂板弱化，在切眼支架位置向上鉆兩排鉆孔，鉆孔深度25 m，鉆孔直徑75 mm，鉆孔間排距1 000 mm×1 000 mm；A 組爆破眼與切眼進行平行布置，B 組布設在煤壁側夾角為45°的位置。弱化的炸藥選定為乳化炸藥，采用全孔裝藥且密封長度不小于鉆孔深度的2/5，對A、B 兩組鉆孔進行依次起爆，切眼處頂板鉆孔布置，如圖1 所示。

圖1 切眼處頂板鉆孔布置

頂板巖層弱化具體施工步驟按照如下順序：①進行頂板鉆孔；②裝入乳化炸藥；③進行鉆孔封閉；④對爆破孔進行連線；⑤按照爆破順序起爆。同時在每組爆孔處留設備用炮孔，避免由于鉆孔塌陷出現無法裝藥的現象。

2 礦壓監(jiān)測

完成頂板弱化后，對弱化效果進行分析。 首先對觀測點進行布設，在綜采工作面的液壓支架前柱上布置一臺壓力傳感器，布設液壓支架臺數為10，液壓支架編號分別為10#、20#...100#，壓力傳感器將采集到的液壓支架壓力數據通過通訊網絡傳輸至地面調度室，從而進行統計分析。 頂板弱化的監(jiān)測指標主要為巖層裂縫擴展及頂板的來壓情況。 經過頂板弱化后首先利用YTJ20 窺探儀對頂板裂隙擴展情況進行觀察，可以看出在弱化前頂板周邊巖層整體較為平整，巖層內部未發(fā)現明顯的裂縫；而當經過頂板弱化后，此時的巖層出現貫通裂縫，巖層的整體性被破壞，此時巖層整體強度降低，表明堅硬頂板弱化技術能夠有效地降低工作面頂板的強度，從而達到使堅硬頂板隨采隨落的目的，有效保障了工作面的安全，弱化前后巖層內部裂隙擴展情況，如圖2 所示。

圖2 堅硬頂板弱化前后窺探

根據監(jiān)測數據可以得出，工作面初次來壓范圍存在一定的差異，中部巖層的頂板初次來壓步距大于兩端巖層；當工作面推進至18 m 時，此時工作面液壓支架的工作阻力出現明顯上升，此時堅硬巖層內部出現斷裂，工作面10 臺液壓支架工作阻力瞬間增大；而當工作面推進至22 m 的位置時，此時巖層內部的斷裂現象減小，液壓支架的工作阻力開采持續(xù)穩(wěn)定，此時可以認為工作面初次來壓完成。 由此可知，經過弱化后頂板的初次來壓步距約為18 m，當工作面推進至18 m 時，此時的支架動載系數均值約為1.74，初次來壓時工作面會出現微小的片幫，但整體完整性較好，同時來壓步距較未弱化前的32 m 有了大幅度地降低，工作面支架動載系數整體屬于合理范圍，軟化較為成功。 工作面推進至18 m 時支架動載系數如圖3 所示。

圖3 工作面推進至18 m 時支架動載系數

對工作面老頂周期來壓進行檢測，通過檢測數據，對3 次工作面覆巖周期來壓得平均動載系數及周期來壓的影響范圍進行研究，周期來壓動載系數及影響范圍如圖4 所示。

圖4 周期來壓動載系數及影響范圍曲線

從圖4 可以看出，工作面上部覆巖堅硬頂板的平均周期來壓步距約為10.9 m，而中部堅硬頂板的平均周期來壓步距約為13.2 m，下部堅硬頂板的平均周期來壓步距約為12.3 m，整體周期來壓步距呈現先增大后減小的趨勢，在覆巖中部頂板位置周期來壓步距最大。 同時在工作面上部、中部、 下部的立柱平均動載系數依次為1.69、1.74、1.71，動壓系數呈現出中部最大，下部次之，上部最小的趨勢。 可以看出經過弱化后堅硬頂板的周期來壓步距縮短較為明顯，且動載系數整體處于合理范圍，頂板弱化效果較佳。

3 結論

1）對玉溪煤礦1301 工作面采用深孔爆破方式進行頂板弱化的施工工藝進行分析，給出了具體的施工順序及施工參數。

2）利用YTJ20 窺探儀對頂板裂隙擴展情況進行觀察，發(fā)現經過頂板弱化后，巖層出現貫通裂縫，整體性被破壞，達到頂板弱化目的。

3）經過對頂板弱化后初次來壓步距進行分析，發(fā)現初次來壓步距從原有的32 m 降低至18 m，且動載系數整體處于合理范圍。

4）經過弱化后堅硬頂板的周期來壓步距縮短較為明顯，工作面頂板中部動載系數最大，頂板弱化效果較佳。