顶板弱化处理法在开采坚硬顶板煤层中的应用

文/董福凯

坚硬顶板的煤层开采，由于顶板岩层强度高、厚度大，采空区易形成大面积悬顶。此类顶板一旦大面积悬顶后自然垮落，重则压坏支架及设备造成事故，轻则影响工作面正常生产，故采取顶板弱化措施十分必要。目前，国内外处理坚硬顶板的方法主要有：高压注水压裂与注水软化法、循环式浅孔爆破法、地面深孔爆破法和超前深孔预裂爆破法等方法。山西煤炭运销集团晋城有限公司裕兴煤矿，通过采用超前深孔预裂爆破法进行坚硬顶板处理，成功解决了15号煤层顶板回采过程中顶板不易垮落的难题，消除了工作面生产的安全隐患。

一、矿井基本概况

裕兴煤矿井田位于晋城高平市建宁乡，生产能力为90万吨/年，主要开采3号、15号煤层。3号煤层已基本采空，目前主要开采15号煤层。15号煤层厚度平均为4.3m，顶板为K2灰岩，局部为黑色泥岩，厚11～36m，底板为泥岩或粉砂岩，倾角为3°～8°，煤层为自燃煤层，赋存较稳定。工作面长度为150m，选用综合机械化一次采全高方式进行开采。支架选用ZZ5900-20.5/45型液压支架。矿井属低瓦斯矿井。

二、顶板岩层弱化处理法的具体应用

1.顶板岩层弱化处理高度确定

为使顶板垮落矸石充分填实采空区，放顶最小高度H可根据如下公式确定：

式中，M—煤层采高，取设计采高4.3m；

KP—顶板岩石初始碎胀系数，取1.3。

经计算得：H=14.3m。

根据顶板实际赋存特征，弱化的主要对象为石灰岩岩层，确定放顶孔垂深为14.3m。

2.开切眼深孔预爆破

（1）炮眼布置。工作面设备安装前，在工作面开切眼后帮垂直顶板打眼，炮眼布置如图1所示。150m长的切眼共布置6组炮孔，每组3个炮眼，共18个炮眼。分别用数字1～18进行编号，其中1号、18号眼分别布置在端头轨道顺槽和皮带巷道中心线上，其余均匀分布，组与组间距10m，每组炮孔内炮眼间距为8m，炮眼布置角度为80°～90°，深度为12m，孔径为65mm，装药长度6m，药卷个数为12个，装药量14.4kg，封泥长度 5m。

（2）切眼爆破顺序。在切眼掘好后，支架安装前，先进行打孔，等工作面安装好进行试运转并向前推进2～3刀后，即推进1.2～1.8m后进行装药和爆破。起爆器使用BF-200型矿用安全型发爆器，采用分次装药，分次起爆。联线采用“局部并联总体串联”的方式进行，炮孔起爆从切眼中部向两端交替依次顺序起爆，每次起爆3个炮眼。

3.顺槽超前预爆破

（1）炮眼布置。分别在皮带和轨道顺槽每隔20m布置一组钻孔进行步距放顶。每组钻孔5个炮眼，炮眼编号为A、B、C、D、E，呈扇形布置。炮眼布置如图2、图3所示。两顺槽内步距放顶各炮眼参数与装药量见表1。

表1 两顺槽内步距放顶各炮眼参数与装药量表

（2）顺槽炮眼起爆顺序。采用分组起爆方式，顺序为E→C、D→B、A；这样，下分层起爆可为上分层起爆提供自由面，增强爆破效果。联线仍采用“局部并联总体串联”的方式。炮眼起爆时孔底离工作面煤壁应大于5m。

4.爆破工艺

（1）钻具：选用MK-3型全液压钻机，钻杆选用直径为42mm配套专用钻杆，钻头直径为65mm，三翼钻头。

（2）炸药雷管规格：为了保证预裂爆破效果，选用高猛力2号煤矿许用乳化炸药，药卷直径为55×500mm，1.2kg/卷。雷管下层使用煤矿许用8号普通瞬发电雷管，上层使用秒延期雷管。导爆索采用煤矿许用导爆索。

（3）装药与封孔：装药采用内径为56mm的PVC(防静电)管作为载体。使用两个导爆索进行起爆，封孔采用由黄泥制作的专用炮泥充填密实，长度符合设计要求。炮眼采用连续耦合式装药，采用双雷管、双导爆索引爆，2个雷管在孔外采用并联连接。

5.安全注意事项

（1）施工前必须制定专项安全技术措施，必须由安全专职人员及领导现场指挥。

（2）雷管使用前必须进行检验，严禁使用不同厂家雷管，放炮警戒距离应在300～500m。

（3）严格执行“一炮三检”和“三人联锁放炮制度”。

（4）严格执行《煤矿安全规程》中有关放炮管理的规定。

三、结论

现场实践表明，裕兴煤矿采用深孔预裂爆破方法处理15号煤层坚硬顶板，减小了采空区顶板悬露面积，有效防治了该地质条件下工作面顶板大面积来压的危险。同时采用该处理方法使采空区顶板冒落更充分密实，有效地控制了采空区煤层自燃发火。该方法对类似地质条件下坚硬顶板的处理具有一定的指导和借鉴作用。