8.8 m超大采高综采工作面初次强制放顶技术*

2020-01-09翟春宝吕英华

陕西煤炭 2020年1期

翟春宝，吕英华

(1.神东煤炭集团上湾煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209；2.神东煤炭集团地测公司，内蒙古鄂尔多斯 017209)

0 引言

我国煤矿灾害类型多，顶板事故严重威胁矿井的安全生产。煤矿在开采过程中，当采空区存在大面积悬顶时容易发生顶板突然垮落，煤岩体中能量短时释放产生的动力将煤岩抛向自由空间，一方面其生成的强烈动载荷推倒支架，严重破坏巷道内设备与巷道结构，另一方面采空区积聚高浓度瓦斯气体随冲击波涌出，可能引起瓦斯突出、爆炸等一系列事故，对井下人员及设备造成严重危害[1-2]。随着我国煤矿开采深度的增加，开采地质条件越来越复杂，厚硬顶板和高瓦斯矿井出现的频率也会加大，冲击矿压发生的次数会变多，煤层突出危险性越来越严重[3-6]。据统计，我国存在坚硬顶板的煤矿数量占总矿井数量一半以上，有坚硬顶板的煤层占总开采煤层30%左右[7-8]。因此，为防止厚硬顶板大面积悬顶突然断裂可能发生的风暴及顶板垮落压架埋人事故，有必要对坚硬顶板进行弱化处理。

1 顶板控制技术研究现状及矿井与采面概况

1.1 顶板控制技术研究现状

顶板管理是采煤回采工艺中一项非常重要的工序，它不仅关系到采煤工作面的安全，也关系到矿井生产和经济效益。厚硬顶板控制技术起源于上世纪中期，经过近半个世纪的发展，取得了丰富的经验[9]。在顶板处理方面，主要有3种处理顶板方法：一是顶板高压预注水弱化法；二是深孔爆破法强制放顶；三是超前深孔预裂爆破。其中超前深孔预裂爆破就是向工作面上覆岩层中施工数个有固定间隔的钻孔，然后在钻孔中装填一定量的炸药进行控制爆破，使被爆破效应破坏的顶板产生裂纹，整体性减弱，从而使坚硬顶板在回采后及时垮落[10-11]。

神东矿区矿井采煤工作面生产前，均采取超前深孔预裂爆破的强制放顶措施来保证该采煤工作面的生产安全。

1.2 矿井及采面概况

上湾煤矿是一座现代化、信息化、自动化矿井，井田位于内蒙古鄂尔多斯市境内。矿井采用综合机械化开采，配备大功率采煤机和高阻力液压支架，连续采煤机掘进。上湾煤矿12401综采面是12煤四盘区首采面，东侧为12402综采面；南侧为井田边界，与乌兰集团温家塔井田相邻；西侧为12412综采面，尚未开始掘进；北侧为井田边界，与补连塔井田相邻。综采面沿倾向布置，走向长度299.2 m，推进长度5 254.8 m，采高8.8 m，该综采面地面标高为1 188～1 300 m，煤层底板标高1 043～1 066 m。

12401综采面伪顶为泥岩，抗压强度约11.3～13.2 MPa，普氏系数约1.32，坚固性较低，属不坚硬类不稳定型；直接顶为灰白色细粒砂岩，厚度2.1～8.07 m，抗压强度约13.3～15.2 MPa，普氏系数约1.35，坚固性较强，属坚硬类不稳定型；老顶为灰白色粉砂岩，厚度5.68～20.34 m，抗压强度约14.5～36.6 MPa，普氏系数约2.32；直接底为黑灰色泥岩，抗压强度约14.5～36.6 MPa，普氏系数约2.32，具体见表1。

12401综采面可采面积572 236.16 m2，可采出煤量1 754.6万t。煤厚7.56～10.79 m，平均9.16 m。工作面采用倾斜长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法开采，全部垮落法管理顶板，平均采高为8.8 m，结合地质条件和以往开采经验，初采前在工作面切眼范围采取超前深孔预裂爆破的强制放顶措施处理顶板。

表1 煤层顶、底板特征

2 综采面强制放顶技术

12401综采面采高达到8.8 m，是神东矿区首个特大采高工作面，为保证工作面初次放顶安全，采用超前深孔预裂爆破强制放顶技术，即在初采割6刀煤后，进行强制放顶，强制放顶包括地面装药、运输、装药、爆破等4个主要环节。

2.1 地面装药

地面装药包括以下7个工序：①爆破炸药采用水胶炸药，炸药包由炸药段和炮泥段组成，炮泥段又分为管炮泥和散炮泥，炸药段长度根据炮孔深度和装药系数确定，装药系数为0.7，炮泥装填系数为0.3，散炮泥段长度不得小于2 m，炮泥采用黄泥制作且必须充满填实；②沿直径方向将φ75 mm PVC管一侧剖开，将药包和导爆索等放入，再用胶带纸绑扎牢固，PVC管间用接头连接，每4 m PVC管装10卷φ70 mm×400 mm的药卷；③利用4 m长PVC管作为炸药载体(炸药段长度若为奇数，则需1根1 m的和若干2 m的组成)，然后在每根管子的一头套上管接头并固定牢靠；④将导爆索穿于PVC管内，位于炮眼底部的PVC管与导爆索必须用铁线绑扎固定；⑤将已穿好导爆索的每组管子折叠起来，并捆绑固定，将同一头的管子口用封口纸卷堵塞，封口纸卷可用装的纸箱裁剪成长方形纸条卷成；⑥将每组管子竖立放置，封闭的一头向下，然后将一定数量的炸药从上口装入管中，装完为止，再用与上述相同的方法封堵管子上口；⑦炮泥的制作也采用4 m长的PVC管，将黄泥填入管中并捣实(若为奇数，则需要用1 m的和2 m的组成)。

2.2 钻孔装药、爆破

钻孔装药、爆破包括以下10个工序：①炮眼布置在距离切眼中心线1.5 m处靠近副帮侧，间距为8 000 mm，呈“一”字形共布置39个炮眼。炮眼采用MYZ-150型全液压湿式坑道钻机施工，成孔直径φ=90 mm，如图1所示；②将已装好的成捆药包运到井下，装药前必须清净炮眼；③装药时，由于工作面高度大，利用2台平台车及1台防爆车作为装药平台，首先使用4.5 m平台车作为顶部的平台，将第2台升降车升到位后作为中部平台，人员站在2个移动平台上作业，如图2所示；④雷管采用煤矿许用毫秒延期电雷管，串联联线，导爆索起爆；⑤炮眼采用简化的间隔方式装药，即连续耦合装药；⑥装药用φ70 mm×2 500 mm的木制炮棍将预制在PVC管内的药卷、炮泥和导爆索缓慢装入炮眼内，根据炮孔眼长度确定导爆索长度，导爆索只能用快刀切割，严禁冲击挤压；⑦依次将每根药管推入炮孔内，药包要推至孔底，装紧装实，然后用散炮泥、管炮泥、撑口楔将孔口封堵，最后将孔口用大木楔封堵牢靠；⑧放炮母线必须采用符合标准的2.5 mm2双股铜芯线；⑨放炮采用一次联线，分3段顺序起爆，由于炮眼内药量较大，故要求警戒距离和放炮距离不小于500 m；⑩起爆顺序依次为1#～13#炮眼，14#～26#炮眼，27#～39#炮眼。

具体爆破参数见表2。

图1 12401切眼炮眼布置剖面图

图2 升降车示意图

3 综采面强制放顶安全措施

3.1 地面装药与运输安全措施

地面装药：①装药地点需为平整、空旷的场地，周围50 m内不得有居民区、厂区及其它公共设施，30 m范围内应设置警戒，禁止无关人员进入；②装药场地严禁携带烟草及点火物品进入，装药时所有的施工单位必须停止作业，切断所有的电源并撤离至警戒以外的地方；③装药期间装药人员要对炸药、导爆索轻拿轻放，严禁碰撞炸药及导爆索，炸药和导爆索要分开放置；④装好的炸药要按照炮眼顺序排列，并摆顺放在平整的地方，不得有扭曲现象，装车时也按照此顺序装车运输；⑤剩余的炸药和导爆索要清点好数目，及时交回炸药库。

运输：①明确运输路线，运送过程必须避开人员集中上、下井的时间，不得在路途中停留，井下其他车辆遇到炸药车时必须提前避让；②炸药、雷管及导爆索运送必须分开单独运输，严禁混装混运，雷管须放置在专用箱内。矿井设置安监员全程监督检查车辆装、卸运输作业，发现异常情况及时处理并报告；③运送火工品车辆要完好无损，行驶速度不得超过15 km/h，在行进过程中如果遇到拐弯、有坑凹的地段必须减速慢行。车辆进入指定地点以后，要停车断电。

表2 12401切眼强制放顶爆破技术参数表

3.2 炮眼装药与爆破安全措施

炮眼装药：①严格按照设计施工炮眼，必须采取湿式打眼方法施工炮眼；②相关人员在进入工作面装药前，必须由现场指挥人员对切眼顶帮进行检查，只有对工作面切眼顶帮检查确认安全后方可进行装药；③矿井安排专人负责井上、下监测设备的检查，发现问题立即处理，确保强放期间监测系统正常运作，并准备足够的经调校合格的便携瓦检仪、一氧化碳检测仪、氧气检测仪，确保强放期间仪器使用；④参加强放的所有人员都必须佩带便携式甲烷检测仪、一氧化碳检测仪、氧气检测仪、隔绝式自救器，并且在强放期间必须保持通讯设施完好畅通；⑤装药前综采面及两顺槽所有设备必须停电闭锁；⑥装药前要保证工作面所有支架必须处于完好工作状态，各种阀组、水胶液管接头等必须完好，支架拉成一条直线，并要接顶良好，支架必须要垂直于顶底板，初撑力要求达到额定工作阻力的80%以上；⑦登高作业时必须先检查操作平台的稳固性，确认操作平台的安全稳定性后方可使用，作业时应注意随时清理落在架面上的材料，保持架面的规整清洁，不要乱堆材料、工具，以免影响安全作业或发生掉物伤人。在登高平台上作业时，必须根据自己的位置合理系好安全带。禁止在操作平台上做无关工作；⑧装药时，人员配合要一致，动作要统一，并有专人指挥；⑨装药过程中作业人员要动态观察顶板情况，发现异常立即停止作业，撤出人员。

爆破：①放炮前综采面及两顺槽所有设备必须停电闭锁；②放炮前必须对工作面、回风顺槽及放炮地点的瓦斯和煤尘浓度进行检测，不符合要求严禁放炮；③放炮前必须对工作面和回风顺槽及回风系统内的煤尘进行彻底清洗；④放炮前，对可能影响到的设备及电缆必须加以可靠的保护，在距放炮点500 m以外可能进入放炮地点的所有通道上设置警戒；⑤放炮前工作面回风系统内的所有人员必须撤出，工作面所有人员必须在距放炮地点500 m安全距离以外的12401工作面辅运顺槽64联处，放炮员必须最后离开放炮地点；⑥准备强放开始前总指挥长必须向矿调度汇报，由矿调度确认警戒人员全部到位后汇报总指挥长；⑦放炮工作必须由持有放炮证的人员担任。放炮器的钥匙必须由放炮员随身携带，不得转交别人。不到放炮通电时，不得将钥匙插入放炮器，放炮后必须将钥匙拔出，摘掉母线并扭结成短路；⑧放炮前，放炮母线连接脚线、检查线路和通电工作，只准放炮员一人操作，联线时放炮员要由里向外进行，连接前一段母线前要将前一段雷管线短接，依次类推，将连接线头用绝缘胶带包扎牢固，放炮前班长必须在指定的安全地点接到总指挥长的放炮命令，确认无误后，方准下达放炮命令，放炮员接到放炮命令后，必须先发出3次放炮警号(喊话或吹哨子)，再等5 s后，方可放炮；⑨通电以后装药炮眼发生拒爆时，放炮员必须先取下钥匙，并将放炮母线从电源上摘下，扭结成短路，再等15 min，才可沿线路检查，找出拒爆的原因；⑩放炮过程中，应增加12401综采工作面风量，以加快炮烟排放速度。放炮完毕后，炮烟没有排完前，严禁人员进入工作面及其回风流中；强放完毕后，应安排专人检查强放受波及区域的通风设施，对损坏的设施及时修理；测风员对四盘区通风系统风量进行测量，合理分配各工作面风量，确保各工作面风量满足生产需求，确保通风系统稳定可靠；整个放炮工作结束后，工作面和回风顺槽及整个回风系统内，有害气体和粉尘浓度经检测符合《煤矿安全规程》要求且通风设施均完好时，人员方可进入工作地点进行正常作业；放炮时，提前由矿调度通知炮烟经过区域施工作业单位停止作业，放炮完毕确认可以进行作业后，再由调度室通知相关单位恢复作业。