楊文忠

（霍州煤電集團(tuán)河津薛虎溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

堅(jiān)硬頂板具備完整性好、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，在煤層開(kāi)采后堅(jiān)硬頂板不容易垮落，從而導(dǎo)致采空區(qū)頂板大面積懸頂，特別是在端頭位置由于頂板受煤柱支撐，更不容易垮落[1-2]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，采煤工作面端頭大面積懸頂頂板突然垮落時(shí)會(huì)導(dǎo)致采面礦壓顯現(xiàn)異常、采空區(qū)內(nèi)有害氣體外溢、上隅角瓦斯超限及采面瓦斯超限等各種問(wèn)題，給煤炭生產(chǎn)安全帶來(lái)顯著制約[3-5]。導(dǎo)致采煤工作面端頭頂板懸頂?shù)闹饕蛴衃6-8]：

1）頂板巖層本身堅(jiān)硬，不容易垮落。

2）煤柱及錨桿、錨索對(duì)頂板支撐，使得頂板穩(wěn)定性進(jìn)一步增加。現(xiàn)階段針對(duì)端頭頂板不容易垮落問(wèn)題，一般采用退錨、深孔預(yù)裂爆破或者水力壓裂等技術(shù)措施。

文中就以山西某礦31303采煤工作面為例，針對(duì)端頭頂板懸頂問(wèn)題，提出用切頂爆破方法對(duì)頂板進(jìn)行弱化，現(xiàn)場(chǎng)取得較好成果。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

山西某礦開(kāi)采的13號(hào)煤層賦存條件較好，地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育，煤層厚度平均6.8 m，傾角5°~9°，采用綜放開(kāi)采方式，全部垮落法管理頂板。31303采煤工作面為3采區(qū)第二個(gè)回采工作面，采面回采13號(hào)煤層，采面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度2 698 m、采面面長(zhǎng)298 m。采面開(kāi)采范圍內(nèi)煤層直接頂為砂巖（抗壓強(qiáng)度72.6 MPa）、基本頂為粉砂巖（抗壓強(qiáng)度75.9 MPa），底板為粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，具體頂?shù)装鍘r性如圖1所示。

圖1 13號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性

1.2 端頭頂板懸頂實(shí)測(cè)

在31303采煤工作面推進(jìn)過(guò)程中，采面中部位置頂板巖層可基本垮落，但是在運(yùn)輸巷及回風(fēng)巷端頭位置頂板不能隨采面推進(jìn)技術(shù)垮落，具體端頭位置頂板形態(tài)如圖2所示。

圖2 端頭頂板懸頂示意圖（mm）

對(duì)采面端頭位置采空區(qū)懸頂范圍進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)最大懸頂寬度、長(zhǎng)度分別為5 m、15 m，懸頂面積超過(guò)30 m2，端頭位置懸頂面積大會(huì)給采面正常生產(chǎn)以及回風(fēng)隅角位置瓦斯治理帶來(lái)制約。在端頭懸頂面積大、采動(dòng)壓力疊加等因素作用下，巷道圍巖變形量較大，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)頂?shù)装寮跋飵妥畲笫諗苛糠謩e為66 mm、102 mm。

2 端頭堅(jiān)硬頂板處理技術(shù)

文中結(jié)合以往研究成果并依據(jù)1303采煤工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，提出采用爆破切頂方式對(duì)端頭懸頂堅(jiān)硬頂板進(jìn)行處理。

2.1 爆破切頂方案確定

為解決采面端頭堅(jiān)硬頂板懸頂問(wèn)題，提出在端頭位置布置鉆孔進(jìn)行切頂爆破，從而降低端頭后部懸頂面積。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，具體提出下述四種切頂方案：方案一，對(duì)采面端頭位置煤層直接頂切頂；方案二，對(duì)采面端頭位置煤層基本頂切頂；方案三，對(duì)采面端頭位置直接頂及基本頂切頂；方案四，對(duì)采面端頭位置煤層及基本頂切頂。

采用數(shù)值模擬軟件對(duì)上述四種不同切頂方案進(jìn)行模擬分析，具體不同切頂方案下端頭堅(jiān)硬頂板懸頂面積如圖3所示。

圖3 不同切頂方案下端頭堅(jiān)硬頂板懸頂面積

從圖3中看出，采用方案三（對(duì)采面端頭位置直接頂及基本頂切頂）時(shí)端頭懸頂面積最小，面積為57.76 m2，較未切頂時(shí)懸頂面積（225 m2）減少約167.24 m2?？紤]到在端頭位置安裝有端頭支架且端頭支架控頂距離為7 m，端頭支架后方空頂面積則降低至7 m2，端頭處空頂面積較小，可滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》中關(guān)于端頭懸頂面積規(guī)定。為此，選擇對(duì)煤層直接頂及基本頂同時(shí)切頂方式對(duì)頂板進(jìn)行弱化。

2.2 頂板弱化方案現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在31303采煤工作面端頭位置向13號(hào)煤層直接頂及基本頂施工鉆孔，通過(guò)深孔爆破實(shí)現(xiàn)切頂，弱化直接頂及基本頂強(qiáng)度，以便實(shí)現(xiàn)端頭堅(jiān)硬頂板隨采面推進(jìn)及時(shí)垮落。具體布置方案：在采面端頭支架前梁位置面向采空區(qū)頂板方向施工切頂鉆孔，具體鉆孔布置如圖4所示，每組切頂鉆孔包含4個(gè)鉆孔，鉆孔孔深分別為5.1 m、7.8 m、10.8 m以及13.8 m，鉆孔仰角分別為54°、68°、74°以及77°；布置的切頂鉆孔終孔位置位于13號(hào)煤層直接頂及基本頂中。采面推進(jìn)3 m布置一組切頂鉆孔，鉆孔施工完成后將乳化炸藥裝入到鉆孔孔底并進(jìn)行爆破。

圖4 切頂鉆孔布置示意圖

為確保切頂爆破安全，切頂鉆孔長(zhǎng)度控制在6 m以上；在采面端頭支架與施工的切頂鉆孔間距為0.5 m時(shí)，開(kāi)始按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行裝藥、連線(xiàn)以及爆破等工作。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為考察采面端頭堅(jiān)硬頂板切頂爆破弱化效果，對(duì)端頭頂板爆破前后端頭支架受力及圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。具體端頭支架受力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 端頭支架受力監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖5中看出，在對(duì)端頭堅(jiān)硬頂板處理前，由于端頭處頂板懸頂面積大，從而導(dǎo)致端頭支架受力較大，監(jiān)測(cè)得到端頭支架受力最大為44 MPa；在對(duì)端頭堅(jiān)硬頂板采用切頂爆破方式處理后，端頭液壓支架受力最大值降低35 MPa，受力明顯降低。此外，對(duì)端頭處堅(jiān)硬頂板處理后，巷道圍巖收斂量有所降低，表明切頂爆破后采空區(qū)后方直接頂及基本頂分層垮落明顯，及時(shí)垮落后可降低端頭處礦壓顯現(xiàn)。

端頭頂板處理后，端頭處周期來(lái)壓步距降至10 m，同時(shí)回風(fēng)隅角位置懸頂面積降至10 m2以?xún)?nèi)，懸頂面積顯著降低有助于回風(fēng)隅角位置瓦斯治理并降低進(jìn)風(fēng)隅角處采空區(qū)漏風(fēng)量。

3 結(jié)論

1）31303采煤工作面直接頂及基本頂均為堅(jiān)硬巖層，在端頭位置由于頂板受煤柱、錨桿（索）以及支架前方煤體等支撐，導(dǎo)致端頭處存在大面積懸頂，不僅增加采空區(qū)漏風(fēng)而且導(dǎo)致端頭處礦壓顯現(xiàn)顯著，給采面煤炭正?；夭蓭?lái)影響。

2）提出采用切頂爆破方式對(duì)端頭位置堅(jiān)硬頂板進(jìn)行處理，并通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)確定切頂爆破方案，具體對(duì)13號(hào)煤層直接頂及基本頂同時(shí)切頂。根據(jù)采面現(xiàn)場(chǎng)情況，制定施工技術(shù)方案，采面每推進(jìn)3 m即在端頭處向采空區(qū)方向施工切頂鉆孔，對(duì)頂板進(jìn)行弱化。

3）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，端頭位置頂板可隨著采面推進(jìn)及時(shí)垮落，采空區(qū)漏風(fēng)以及端頭礦壓異常顯現(xiàn)問(wèn)題得以有效解決。