大倾角中厚煤层综采工作面坚硬顶板弱化技术的应用

姚永康 范勇军 田 苗

(川煤华荣能源股份有限公司花山煤矿)

花山煤矿设计生产能力为180万t/a，矿井主要采用走向长壁综合机械化工艺开采，全部垮落法管理顶板。矿井24063工作面顶板为坚硬厚层状粗砂岩，极难垮落，坚固性系数f≥8，根据长壁工作面矿山压力显现规律[1]，这种类型的工作面在开采过程中极易造成顶板大面积悬顶，顶板大面积来压对支架造成冲击，对人员造成伤亡，因此，采取弱化顶板、减小基本顶初次来压步距的方式以达到基本顶安全垮落具有重要意义。

1 24063工作面概况

24063工作面走向最长为172 m，最短为100 m，平均长136 m；切眼长154 m；平均倾角为34°，平均煤层厚2.6 m。该工作面煤层属复杂结构不稳定煤层，含煤4层，煤层厚度由上至下为0.27，0.36，0.26，0.45 m；含夹矸3层，为泥质粉砂岩，厚度由上至下为0.28，0.71，0.45 m。煤层总厚度为1.34 m，平均采高为2.6 m，伪顶为深灰色薄层状泥质粉砂岩，厚0.2 m；直接顶为灰色厚层状粉砂岩，厚3.91 m；基本顶为灰色厚层状粗砂岩，厚14.93 m；直接底为浅灰色厚层状粉砂岩，厚3.01 m；基本底为灰白色厚层状粗粒砂岩，厚11.21 m。该工作面煤层相对瓦斯涌出量为3.5 m3/t，无瓦斯突出倾向；煤尘具有爆炸危险，煤的自然发火期大于12个月。24063工作面及切眼见图1、图2。煤层综合柱状图见图3。

图1 24063工作面平面

2 顶板弱化技术

24063工作面顶板弱化措施分为两部分，即切眼顶板拉槽爆破和回风巷顶板深孔爆破。

2.1 炮眼布置及参数

2.1.1 切眼顶板拉槽爆破

切眼长154 m，在切眼内采取“一”字形布置17个炮孔，编号分别为A1～A15、B、C，每个孔与切眼煤壁(反帮)间距为3 m。A1孔起孔位置距运输巷上帮10 m，A1～A15炮孔间距为10 m，A15、B、C炮孔间距为3 m。切眼顶板拉槽炮眼布置见图4。

2.1.2 回风巷顶板深孔爆破

在回风巷内布置3组炮孔，组与组间距为10 m，第一组炮孔与工作面切眼煤壁距离为11.5 m。回风巷每组布置9个炮孔，炮孔编号分别为B1、B2、B3、B4、D1、D2、D3、D4、D5。

D1～D5孔在顶板向采空区方向呈扇形布置，每孔间距为500 mm ，D5孔距离回风巷下帮与顶板的交线500 mm，D4、D3、D2、D1依次向上排列，D1～D5投影垂直巷道中心布置成一条直线。

B1、B2、B3、B4成“口”字形布置，B1～B2炮孔从顶板与回风巷下帮交线开始沿倾斜方向按设计角度向下依次布置，每孔间距为500 mm ，B1～B2 、B3～B4与D1～D5水平投影间距均为1 000 mm。回风巷顶板深孔爆破炮眼布置见图5。

图2 24063切眼剖面

如果爆破区域顶板冒落效果好，则停止深孔爆破作业；如果爆破后顶板冒落效果不好，则按本措施第二、第三组炮孔规格间距10 m继续打设炮眼进行深孔爆破作业，直至顶板垮落充填采空区为止。

2.2 打 眼

采用防爆性能良好且有“MA”标志的ZJ-750型钻机钻孔， 钻孔直径为75 mm。

2.3 装 药

装药前采用吹风管吹炮孔，将孔内的杂物排净。制作第一节孔底炸药，用锋利的刀片把导爆索切割成需要的长度，将2根导爆索插入到炸药中，插入的深度不低于200 mm，并用胶带缠好。距导爆索末端1.5 m处固定雷管位置，并把雷管角线缠绕在导爆索上，用胶带绑好，雷管的聚能穴朝向炮孔底部。导爆索头采用高压胶布包好，防止水进入导爆索内而失效。用炮棍将制作好的孔底炸药推入至孔底，在推入的过程中拉直导爆索，以防止导爆索在孔内打节。孔底炸药推入后，再依次用炮棍把其余的炸药推入到炮孔内，每次推入的总长度不超出2节炸药，以防止卡孔，一直装药到该炮孔设计长度，爆破所用炸药规格为φ50 mm×500 mm，1 kg/卷。装完药后，使用水泡泥和黄土棒封孔，封孔长度不小于孔深1/3，黄土用棒捣实后继续装填，直到孔口位置。孔底装药见图6。爆破炮孔参数见表1。

图3 工作面煤层综合柱状图

2.4 爆破方式

爆破采用“局部并联，总体串联”的方式进行连线，一个炮孔内雷管采用并联方式，孔与孔之间的雷管采用串联方式，雷管连线见图7。

在工作面推进5刀(3 m左右)时，对切眼内炮孔进行装药、封泥和爆破，切眼一次装药，分2次起爆， 第一次起爆A1～A9孔，第二次起爆A10～A15、B、C孔，每次爆破最大起爆药量不超过180 kg。

回风巷采用先装药滞后爆破，即回风巷第一组炮孔的D1～D5距回风巷关门支柱2～4 m时，对回风巷第一组炮孔进行装药、封泥，并预留出5～8 m导爆索，当第一组炮孔的B3、B4落后支架1～2 m时，爆破第一组炮孔。回风巷第一组炮孔先同时起爆D1～D5孔，然后起爆B1～B4孔；以此类推，回风巷第二、第三组炮孔分别距尾巷关门支柱2～4 m时装药、封泥，落后支架尾部1～2 m时爆破。爆破时瓦斯浓度要求低于0.8%。

3 深孔爆破效果

切眼拉槽炮孔爆破后，直接在井下可以观测到顶板垮落部分并不多，但在局部采空区顶板形成了宽约1 m、深0.5～1 m的沟槽，未形成沟槽的顶板也产生了明显的裂隙。

图4 工作面切眼顶板拉槽炮眼布置示意

回风巷第二组炮孔爆破后，工作面上部采空区岩石冒落高度约5 m，尾巷充填较好。

为便于观测开采矿压，自工作面第五架支架起每隔5架安设一台CDW-60R型支架压力记录仪，整个工作面共设置19台实时监测矿压数据。通过切眼顶板拉槽爆破及回风巷顶板深孔爆破，工作面初次来压步距为25 m，来压强度适中，未造成支架损坏、煤壁大面积片帮、瓦斯超限及人员伤亡现象。工作面支架工作阻力见表2，支架工作阻力曲线见图8。

图5 回风巷顶板深孔爆破炮眼布置示意

图6 孔底装药示意

4 结 语

在花山煤矿大倾角中厚煤层坚硬顶板综采工作面切眼内布置17个炮眼进行深孔爆破拉槽，同时在回风巷布置2组炮眼进行深孔爆破处理，弱化了坚硬顶板，同时运用矿压监测技术，验证了弱化效果。

表1 爆破炮孔参数

注：水平角以巷道中心为0°，竖直角以水平线为0°。

图7 雷管连线示意

支架号左柱/MPa平均初撑力平均工作阻力最大工作阻力右柱/MPa平均初撑力平均工作阻力最大工作阻力5#26.40.628.328.55.830.810#26.028.733.727.110.527.415#20.125.033.420.325.032.920#20.523.331.920.322.231.025#26.027.635.425.88.629.130#27.431.440.927.214.340.535#25.619.934.924.320.930.340#15.011.926.916.220.636.145#27.926.734.027.928.640.550#25.523.130.425.827.737.655#26.734.648.426.532.537.760#11.710.736.211.67.028.265#25.032.042.824.122.546.570#20.828.738.721.534.654.875#27.327.554.727.827.349.180#13.45.724.312.90.022.285#15.62.530.718.127.745.890#24.22.729.726.433.540.895#19.00.329.523.26.135.0

图8 24063工作面支架工作阻力曲线

该项技术的成功应用缩短了坚硬顶板综采工作面初压步距，减弱了来压强度，杜绝了液压支架大面积压坏、瓦斯突然涌出以及煤壁大面积片帮现象，确保了顶板的安全管理和工作面的正常推进，为类似综采工作面初采初放工作和安全管理工作提供了参考。