佳瑞煤业15101工作面初采前顶板预裂技术应用

姚润祥

(阳煤集团 三矿， 山西 阳泉市 045008)

坚硬顶板强度高，节理、裂隙不发育，具有整体性好和自稳能力强等特点，在开采过程中容易形成大面积悬顶，特别是回采初期悬顶面积更大。在该顶板条件下采用综放开采，初采期间由于采空区顶板不能及时垮落，极易产生顶煤破碎、支架不接顶、移架困难，工作面漏风严重等安全隐患。突然大面积垮落时，又会对支架造成大的冲击性破坏，同时将采空区内的有害气体瞬间挤出，从而致使采煤工作面瓦斯含量超标，甚至形成破坏性巨大的飓风和冲击地压。鉴于生产实践的迫切需求，本文以佳瑞煤业15101综放工作面为研究背景，分析初采工作面中顶板预裂技术的应用情况。

1 工作面概况

佳瑞煤业15101工作面开采15号煤层，煤层厚度一般5.00～8.57 m，平均厚度6.33 m；直接顶平均厚度10.8 m，主要为泥岩、砂质泥岩，局部相变为粉砂岩及细粒砂岩；老顶厚度5.00～7.85 m，为中厚层状灰色石灰岩，岩层致密坚硬。因为工作面老顶石灰岩厚度大，所以在回采过程中顶板很难垮落，会出现大面积悬顶现象，给人员和设备安全造成威胁。鉴于此，有必要对15101工作面采用顶板预裂技术。

2 顶板预裂方案

2.1 炮孔布置

根据佳瑞煤业15101工作面自身情况专门制定了《15101综采工作面顶板预裂实施方案》，通过把理论和实践经验相结合，确定深孔爆破孔径为75 mm，封泥长度占炮孔长度的20%～30%，径向装药不耦合系数为1.25[1]。

开切眼长150 m，共布置21个炮孔，炮孔编号分别为1～21号，施工炮眼总长456.72 m，总装药量892 kg。炮孔轴线方向平行于切眼轴线方向，炮孔均在距开切眼外帮0.5～1.2 m范围内施工(考虑顶板锚杆、锚索位置，可在此范围内调整)。炮孔布置见图1。

图1 佳瑞煤业15101工作面顶板预裂炮孔布置

2.2 起爆顺序

根据炮孔设计进行打孔，采煤机割2刀煤后对炮孔进行装药、联线和爆破。放炮使用MFB-200型电容式起爆器，采用“局部并联，总体串联”的联线方式，分组装药、分次爆破，每次起爆最多不超过3个炮孔[2]。从切眼的轨道顺槽向胶带顺槽方向依次起爆：1、2→3、4→5、6、7→8、9、10→11、12、13→14、15、16→17、18、19→20、21。

3 实施效果

3.1 爆破期间瓦斯和CO浓度监测

在工作面上隅角、轨道顺槽及胶带顺槽安装有瓦斯传感器和CO浓度检测仪，在炮孔爆破时用来监测瓦斯浓度和CO浓度。监测数据表明：爆破期间CO浓度和瓦斯浓度均未超限。

3.2 顶煤垮落情况

所有炮孔爆破完以后，43#～46#支架上方的顶煤崩裂，50#支架上方局部顶煤垮落，可见到矸石，其它部分顶煤未冒落。

随着工作面推进到3.2 m时顶板锚网支护出现垮落下沉现象，当工作面推进到4.8 m时可看到大量顶煤落下并伴有矸石，说明顶煤大部分垮落，故可以确定15101工作面顶煤初次垮落步距为4.8 m。随着工作面继续向前推进，采空区悬顶面积越来越大，在工作面推进到18 m时顶板中不时传来岩层断裂声音，这说明顶板岩层达到抗拉极限而发生断裂，当工作面推进到21 m时采空区顶板大面积冒落并伴有冲击波形成，表明工作面直接顶已经垮落，初次垮落步距为21 m[3]。

3.3 炮孔爆破效果

15101工作面爆破后与邻近工作面相比，平均垮落步距缩小了近10 m左右，悬顶面积明显减小。工作面推过以后，没有出现大面积顶板垮落带来的安全隐患，巷道矿压观测正常，瓦斯、CO等气体含量也在正常范围内；瓦斯高抽巷稳定性良好，顶板爆破预裂对该巷道的影响较小。

4 效益分析

4.1 经济效益分析

本次试验共投入77.4万元，其中科研费用46万元，设备费用25.5万元，材料费用1.7万元，人员费用4.2万元。

试验的收益主要来源于提前回收的顶煤，工作面长150 m，煤层平均厚度6.33 m，采高3.0±0.1 m，顶煤平均厚度3.33 m，容重1.39 t/m3，此次采用顶板预裂技术的工作面与之前未采用该技术的相邻工作面相比，至少可以提早回收顶煤15 m左右，计7776 t，销售收入349.9万元，总效益为272.5万元。

4.2 安全效益分析

通过实施该工业性试验，可以大大减小工作面悬顶面积以及直接顶初次垮落步距，消除由此带来的安全隐患，从而实现了15101工作面初采期间安全、高效生产。

采用顶板预裂技术后可以有效避免下述现象的出现：

(1) 悬顶面积过大致使工作面漏风，有些区域甚至无风流，导致该区域瓦斯或CO浓度超限；

(2) 悬顶面积过大顶板突然垮落，在短时间内支架立柱下缩量骤然增加，导致有的支架被压坏甚至压死；

(3) 回采巷道变形严重、煤壁片帮。顶板未及时垮落，采空区上覆岩层施加到周围岩体的压力增大，支撑煤柱和回采煤层的支撑压力也相应增大，直接导致回采巷道变形严重、煤壁片帮等矿压显现现象的发生。

5 结 语

由于佳瑞煤业15101综放工作面老顶为灰白色石灰岩，致密坚硬，且相邻工作面的相互影响，回采过程中顶板很难垮落，出现大面积悬顶现象,给工作面安全生产带来隐患。通过在15101工作面进行开切眼深孔预裂处理坚硬顶板，将顶板初次来压变为周期来压，有效减小了工作面顶板的初次来压步距，消除了顶板大面积垮落时导致的工作面瓦斯超标、移架困难等问题，杜绝了由于大面积顶板来压对设备和人员的危害，防止了工作面漏风现象的发生，保证了工作面安全高效回采[4]。

参考文献：

[1]孙建军，徐 刚.深孔爆破弱化坚硬顶板技术的应用[J].煤矿开采，2008，13(3):89-90.

[2]崔树江，张百胜.综放工作面采前顶板弱化技术研究[J].中国煤炭，2012，38(11)：41-43.

[3]邢延团.大采深综放工作面顶板运动规律研究[J]. 能源技术与管理，2007(3):28-29.

[4]杨建中.综放工作面初采前顶板弱化技术研究[J].煤，2013，22(7):27-29..