探析15号煤层回采工作面坚硬顶板预裂软化技术

2021-05-10

当代化工研究 2021年8期

（山西凌志达煤业有限公司山西 046600）

随着社会的发展与科技的进步，煤矿挖掘技术已经无法满足现代社会的发展，因此需要一种新的挖掘技术来适应现代的社会需求，本文主要介绍坚硬顶板预裂软化技术。

1.15号煤层围岩地质的物理学解析

现有的开采资料表明，15号煤层绝大部分是由泥岩所组成的，同时也含有黄铁矿泥岩以及细沙岩薄层等多种结构。但这种泥岩所组成的顶板结构不稳定，比较容易坍塌，很容易在开采时发生意外事故。现有数据表明，在15号煤之上太原组粉砂质泥岩的密度为2.66g/cm3，含水率为1.66%～1.73%，饱和极限抗压强度为22.61～25.33MPa，为软弱岩石。同时，底板泥岩密度为2.57g/cm3，含水率为1.68%，饱和极限抗压强度23.92MPa，为软弱岩石。这种结构的煤层在采煤的过程中更容易发生坍塌事故。

(1)井田地质的概述

本文所探究的15号煤层井田的出露地质主要有下石盒子组、上石盒子组、二叠系山西组和第四系松散沉积物组成。它的总体走向为由东向北但是产状上较为平缓。由于地质构造的影响，通常该地质层会形成一些小型褶皱构造。但是在井田的中部却与众不同，它有相对隆起的背斜构造，这与井田原本的构造并不协调。

(2)15号煤层顶底板的岩石性组成

根据现有资料可以发现，在15号煤层的上部通常会因为一些不定性的原因，例如出现厚度为0-2cm以泥岩层为主的透镜体状夹层。这些夹层就是后来所产生的14号煤层。对15号煤层进行调查，可以发现煤层的直接顶板为K2灰岩，这种岩石多表现为厚层状通常比较坚硬，在工程上表现出了比较优良的性能。但是在K2灰岩的下部常常会有许多炭质泥岩顶板，这种顶板结构与K2灰岩顶板的性能恰恰相反，泥岩层的力学强度较低，在采取的过程中比较容易掉落。现在的15号煤层的顶底板，一般是泥岩或者是黄铁矿泥岩为主，这就加大了开采的难度。

(3)工作面围岩的稳定性评价

根据对15号煤井进行的采样测试，15号煤层的K2灰岩的岩石指标大约在70%，岩石的质量相对较好，岩石也比较完整，因此可以被评为三级。但是在该煤层中的底板泥岩上，岩石质量比较差，同时完整度也不是很好。因此从上述调查我们可以发现在井田中顶板的K2灰岩质量相对比较好，底板泥岩的稳固性相对比较差。

2.15号煤层坚硬顶板预裂软化技术的具体探究

因为在用一般方法进行采煤的过程中，会使得采空区产生大面积悬顶的空区，这对于顶板比较坚硬的一般煤田来说并没有关系。但是由于15号井田部分泥岩性能比较差，会发生瞬间垮塌的危险，因此我们现在设计了一种新型的预裂软化技术来对15号煤层进行开采。

在岩石爆破机理研究过程中，一般情况下我们可以认为是爆炸所产生大量气体聚集导致的压强变化，最终使岩石破裂。但是这种方法一般只适用于整体性比较好的岩石，对于15号井田我们设计的新型的采集方法主要以爆破产生气体为主。因此，现在的新型技术就是通过人为的方法来破坏顶板的整体性，从而减小顶板大面积垮落发生的可能性。通过爆破弱化的方法来人为的将顶板进行切断，从而从根本上减少了煤层顶板坍塌的可能性。

(1)预裂爆破的目的

那么，在进行采煤的过程中，为什么需要进行预裂爆破，因为在煤矿生产的过程中顶板事故所占的比例比较大，对于那些煤层顶板比较坚硬的井田，尽管在采煤的过程中会使整个顶板变得比较薄弱，由于煤层的工程性能比较好，因此发生危险的概率比较小。尽管这样，也不乏会有一些煤层由于顶板不牢固，而使得采空区顶板大面积进行坍塌，从而造成人员和设备的损伤。不仅如此，在顶板发生坍塌的时候更容易产生一些瓦斯，如果没有及时的处理好，会导致瓦斯重大事故。因此我们进行预裂爆破是为了有效的防止工作面坚硬板灾害事故，预防事故发生。同时对于这种顶板的工程性能比较差的井田，则更需要进行顶板的预裂爆破。这样才能破坏顶板的整体性，人为的控制顶板的储能条件，从而减小冲击地压的发生。

(2)岩石爆破损伤断裂的机理

在岩石爆破过程中，炮孔的周围区间可以分为三个区域。爆破禁区，爆破中区以及爆破远区。在爆破的作用下，由于大量气体的产生，会导致岩石分为以下的两种阶段，第一种是因为由爆炸力所产生的巨大冲击波使整个顶板产生宏观的碎裂。第二种就是由于爆破气体的冲压，使得原本已经产生的宏观裂变又发生二次扩展。一般来说，爆炸产生的冲击波只能使得比较坚硬的岩石产生肉眼看见的裂缝，而在爆炸后所产生的巨大气体则会使得原本已经分裂开的岩石进行缓慢的二次扩展。

3.坚硬顶板预裂软化技术的规划方案

由于许多井田的顶板比较坚硬，强度比较高，基本上不会出现自然裂缝，这说明了井田的顶板整体性比较好，而且有较强的自我恢复能力。因此我们打算在顶板上打双排眼，每排眼排距大概在1.5m左右，并且在需要开采的工作面两端各打上炮眼。在需要采取的工作面上安装将近上百个炮眼。在每个炮眼处装好需要爆破的炮弹后，每隔3-5m左右进行连线和爆破。同时，为保证安全的进行爆破，我们打算每次同时起爆2个炮眼，进行分步起爆。在爆破工作进行之前，需要将相关人员进行疏散并保持空气的流通，防止意外事件的发生。

4.施工安全技术方面的举措

(1)钻机施工的安全注意事项

①在现场的工作人员需要严格的按照工作流程进行爆破工作，不可私自进行，同时在进行交接工作的时候，需要每个人把所需工作部分全部交接完毕之后方可离开。

②在钻机钻进的过程中，现场工作人员应该实时观察所挖掘井田的岩石质地变化情况。如果发现岩石发生了变化，工作人员应该及时调查情况，如果情况十分危急则必须阻止本次挖掘的继续进行。

③在进行挖掘工作的时候，工作人员应该穿着整齐，并且扎紧身上衣服的通风处，防止在工作的时候钻机发生意外将衣服卷进旋转部位而导致危险事故的发生，同时在进行工作的时候，需要工作人员时时刻刻的注意钻机的定位情况，如果钻机发生松动等危险的情况应及时调整或者停止工作。

(2)工作面顶板的管理

在煤矿的开采过程中，会有一些特殊的工作面板，它们比较坚硬，这样的面板可以更好的安装钻机，让整个开采的难度变小。但是这种比较坚硬的顶板有利也有弊。如果一旦发生坍塌事件，那么其危险性极高。因此在坚硬顶板的情况下，我们需要保证整个工作平面的完整性，只有这样才能保证整个开采过程中所有工作人员的安全。

图1 综合机械化采煤工作面

(3)加强对于瓦斯及煤尘的管理

我们在采掘的工作过程中，应该及时的进行通风处理，而且在每个通风区都应该设立检测点，每隔2-3天左右检查一下瓦斯含量，并且派遣专人去定期维护通风设施，保证在工作的过程中通风设施可以正常的运行。如果在进行采掘的过程中发现通风设施停止进行，或者是在工作的过程中发现瓦斯含量超标，所有的工作人员应该立即停止采掘，并且以最快的速度撤出工作范围到达安全的地方。