厚煤层坚硬顶板预裂爆破强制放顶技术实践

2020-01-17史振飞

煤矿现代化 2020年1期

史振飞

（山西兰花科技创业有限公司伯方煤矿分公司，山西高平 048400）

0 引言

坚硬顶板是指煤层上方直接赋存或在薄层的直接顶上面，存在厚层坚硬的砂岩、砾岩或石灰岩，具有结构致密、完整度高、裂隙不发育等特点，容易发生大面积不垮落，造成顶板灾害，严重影响矿井安全高效生产[1,2]。目前，处理坚硬顶板悬而不垮所采取的措施主要有高压注水技术、煤柱支撑技术、局域切割技术、预裂爆破放顶等技术。在这些技术中，预裂爆破技术是目前处理坚硬顶板悬露不垮的主要技术手段[3,4]。本论文以伯方煤矿3205工作面为研究背景，针对回采工作面坚硬顶板悬露不垮现象，设计不同爆破参数下的预裂爆破技术方案，并结合现场实测确定合理的爆破参数，研究成果可为类似矿井提供借鉴。

1 工程地质概况

伯方煤矿3205工作面井下位于二盘区左翼，北部与3207工作面采空区相邻，南部与3203工作面空区相邻；东侧与二盘区的运输大巷、轨道大巷和回风大巷相接。3205工作面倾斜长度157m，走向长度1384m，埋深209～341m，采用一次采全高综放开采工艺。3205工作面主采煤层3#煤层，煤层厚度4.82～5.46m，平均 5.31m；煤层结构简单，含 1～2 层夹矸，夹矸总厚 0.2～0.4m；煤层倾角 2～6°；平均 4°；煤层硬度f=1～2，层理、节理为中等发育。工作面顶板强度低，直接顶为灰黑色粉砂岩，裂隙发育，平均厚度3.51m，抗压强度 11.17～18.97MPa；基本顶粉砂岩，厚度为12.34～16.46m，平14.26m，单轴抗压强度为57.44～84.62MPa，属于坚硬厚顶板。由于3203工作面回采期间因顶板来压步距较大发生支架压死现象，为避免安全事故的发生，决定采用顶板预裂爆破技术对3205工作面进行强制放顶。

2 预裂爆破强制放顶布置方案

2.1 强制放顶方式选择

目前，针对坚硬顶板进行预裂爆破放顶的方法有3种，即循环浅孔拉槽，中部拉槽和端部拉槽。其中，循环浅孔拉槽放顶是指工作面推进中每隔几个循环，沿工作面切顶线，全长打孔进行爆破放顶，中部拉槽放顶是通过在顶板中部爆破缩短极限垮落步距，端部拉槽控制放顶是沿工作面开切眼全长向顶板打眼爆破。3种放顶方式如图1所示。

图1 预裂爆破强制放顶方式

由于3205工作面为综采面，支架安装严密，循环浅孔拉槽和中部拉槽放顶方式难以施工，因此，决定在综放面采用端部拉槽的方式进行工作面初次强制放顶。其中，将拉槽地点布置在工作面开切眼内，施工场所相对较宽敞、安全，待工作面安装完毕试采进三刀后即开始进行拉槽作业。

2.2 切眼初次放顶方案

3205工作面沿切眼全长布置炮孔，从中部开始分别向头尾施工放顶炮孔，共计14组，上下端头放顶孔为每组3个，其余均为每组2个炮孔。由于井下采用ZYJ-269/168型架柱式液压回转钻，其成孔直径为65mm；所有炮孔仰角为60°左右；设计炮孔间距为4.2m，炮孔深度为15m，炮孔装药量为20kg，每孔装药长度10m左右。3205工作面切眼炮孔参数与布置方式分别见表1和图2所示。

表1 切眼预裂爆破炮孔参数表

图2 3205工作面切眼炮眼布设方案

2.3 两巷步距式放顶方案

为进一步缩减缩短悬顶长度，减轻对支架的冲击载荷，在工作面初次来压之后、第一次周期来压之前，采用两巷步距式爆破断顶法对3205工作面顶板进行辅助爆破强制放顶处理。为保证回风平巷和运输平巷中步距式强制放顶的效果，所有步距放顶孔均按每组2个孔，孔深15m，仰角为50°和70°，水平转角为50°和70°，沿工作面推进方向每隔5m进行布置，分2层设计进行爆破强制放顶，起爆方式采用毫秒延时分层起爆。放顶的炮和切眼放顶炮孔参数一致，即：炮孔深度为15m，炮孔装药量为20kg，孔径65mm，封孔长度5m，装药长度10m。两巷放顶炮孔布置方案如图3。

图3 3205工作面两巷炮孔布设方案

3 工业性试验

切眼强制放顶工作在3205工作面试采3～4刀后开始，炮孔距离液压支架3m，以保证爆破不影响到支架；两巷强制放顶炮孔布置则是在初次来压之后至第一次周期来压之前这段时间内。放炮使用BF-200型起爆器两台，两巷各一台，起爆方式为同一巷道一次起爆，两台严禁同时使用。所有炮孔均采用煤矿许用炸药（三号乳化粉状炸药），规格为Φ50mm×500mm。重量为1kg/卷，使用煤矿许用导爆索和煤矿许用瞬发电雷管。封孔使用黄土封实，封孔分两次进行，将黄土装入规格为Φ30mm×400mm纸筒中，第1次先封至距孔口0.5m处，第2次封孔时，将雷管与导爆索捆绑牢固后，封土，直至全部封满捣实，将外露雷管脚线扭接短路。炮孔均采用串联方式联线，每孔使用1个瞬发电雷管。

表2 3205工作面来压步距统计

表3 3205工作面来压动载系数统计

表4 3205工作面支架阻力统计

表2～表4分别为3205工作面推进初期来压步距、支架工作阻力和来压动载系数统计情况。

由表2～表4可知：

1）3205工作面初次来压期间煤壁片帮严重，支架安全阀大量开启，支架最大工作阻力达到7700kN以上，支架平均动载系数为1.64，来压强度较高；初次来压步距平均为39.2m，比未实施爆破断顶的工作面提前了约16.4m，很大程度上降低了因顶板来压步距大而产生的安全隐患。

2）3205工作面周期来压期间煤壁片帮范围和严重程度均较初次来压阶段大幅降低支架安全阀开启较少，一般少于30%，工作面动载系数平均为1.41，周期来压强度显著降低；周期来压步距平均17.6m，大幅度降低了周期来压步距，表明对坚硬顶板采取步距放顶是取得了良好效果的。

3）3205工作面来压期间，支架平均阻力在5228.52～5888.24kN之间，为支架额定工作阻力的72.6%～81.7%；非来压期间的平均支架阻力在3481.01～3744.83kN之间，为支架额定工作阻力的48.3%～52.0%，支架阻力富裕较大，未出现异常现象，表明工作面坚硬顶板得到了有效控制。