采煤工作面坚硬厚顶板放顶技术及策略

2021-05-31

当代化工研究 2021年10期

（山西古县西山鸿兴煤业有限公司山西 042404）

坚硬厚顶板一般是指在薄层的直接顶上面或煤层上方直接赋存厚层坚硬的砾岩、砂岩或石灰岩（分层厚度一般大于5m），其一般具有完整度高、结构致密、裂隙不发育等特点，极易出现大面积垮落现象，不仅会诱发顶板灾害，而且还会对矿井安全生产带来不利影响。在采煤工作面具体施工过程中，坚硬厚顶板一般会采用强制放顶技术，如预裂爆破放顶技术、定向水力压裂放顶技术，将会对其进行全面、系统的分析和研究，以期为后续采煤工作面的施工奠定良好的基础。

1.工作面顶板强制放顶技术

通常情况下，在采煤工作面坚硬厚顶板整体垮落时，往往会悬露几万到十几万m2，如果大面积的顶板一旦在极短时间内出现冒落现象，将会产生比较严重的冲击破坏力，甚至还有可能瞬时挤出已采空间的空气，形成巨大的暴风，产生更大的破坏力。

对于采煤工作面坚硬厚顶板断裂而言，其一般存在如下现象：（1）煤帮出现明显片帮与受压现象；（2）顶板断裂音响和声响的频率增大；（3）底板出现底鼓现象，或者顺煤柱附近的底板出现了裂缝；（4）顶板下沉速度和工作面中支柱载荷明显增大；（5）上下平巷出现了明显的超前压力；（6）有时采空区顶板会出现明显的淋水或裂缝加大现象。

在采煤工作面坚硬厚顶板强制放顶过程中，还需要借助地音仪、微震仪和超声波地层应力仪来给予准确预测，在对历次冒顶预兆特点给予综合分析的基础上，结合仪器预测结果，对大面积冒顶做出科学、准确的预报，以免诱发不必要的灾害，确保采煤工作面施工的顺利进行。

2.采煤工作面坚硬厚顶板强制放顶技术类型

(1)预裂爆破放顶技术

对于采煤工作面坚硬厚顶板而言，预裂爆破放顶技术得到了广泛应用，其主要包括循环浅孔拉槽、端部拉槽和中部拉槽3种类型，其中，循环浅孔拉槽放顶主要是指在进行工作面推进过程中沿工作面切顶线，每隔几个循环全长打孔进行爆破放顶。端部拉槽控制放顶一般是指沿工作面开切眼全长向顶板进行打眼爆破。中部拉槽放顶一般是指在顶板中部爆破以达到缩短极限垮落步距的目的。在强制放顶过程中，要结合采煤工作面坚硬厚顶板特点来对预裂爆破放顶技术给予科学、合理的选择，以此来达到预期的放顶效果。

例如，某煤矿3205工作面倾斜长度157m，埋深209m-341m，走向长度1384m，选择了一次采全高综放开采技术。该工作面主采3#煤层，煤层结构简单，煤厚在4.82m-5.46m，平均5.31m，煤层倾角2°-6°，平均4°。在3#煤层中含有1-2层夹矸，夹矸总厚0.2m-0.4m；煤层硬度f=1-2，节理、层理属于中等发育。采煤工作面基本顶粉砂岩，厚度在12.34m-16.46m，单轴抗压强度达到了57.44MPa-4.62MPa，是坚硬厚顶板。在对3203工作面进行回采过程中，由于顶板来压步距较大将不可避免的出现支架压死现象，此时为了降低安全事故的发生率，在对3205工作面进行强制放顶时，可以选择顶板预裂爆破技术。

通常情况下，3205工作面属于综采面，具有比较严密的支架安装，中部拉槽和循环浅孔拉槽放顶方式无法有效进行施工，此时决定采用端部拉槽放顶方式来对采煤工作面进行初次强制放顶。在工作面开切眼内布置拉槽地点，并确保施工场所相对安全、宽敞，待工作面安装结束后开始进行拉槽放顶施工。沿3205工作面切眼全长对炮孔进行布置，最好中部开始逐步向头尾进行放顶炮孔的施工，共计14组，其中上下端头放顶孔为每组3个，剩下的为每组2个炮孔。3205工作面选择了成孔直径为65mm的ZYJ-269/168型架柱式液压回转钻，此时要求所有炮孔仰角为60°左右，设计炮孔深度为 15m，炮孔间距为4.2m，炮孔装药量为20kg，每孔装药长度控制在10m左右。

在预裂爆破放顶过程中，为了有效缩短悬顶长度，降低对支架产生的冲击载荷，一般需要在工作面初次来压后，并且在第一次周期来压之前，对3205工作面顶板采用两巷步距式爆破断顶法，以此来提高爆破强制放顶处理效果。实际上，为了确保运输平巷和回风平巷中取决比较理想的步距式强制放顶效果，所有步距放顶孔一般需要按每组2个孔进行布置，孔深控制在15m，水平转角为50°和70°，仰角为50°和70°，顺着工作面推进方向每隔5m需要对炮孔进行布置，分2层设计来开展爆破强制放顶，该过程中最好选择毫秒延时分层起爆。在预裂爆破放顶过程中，要确保放顶的炮和切眼放顶炮孔具有相同的参数，即：炮孔深度为15m，孔径65mm，炮孔装药量为20kg，装药长度10m，封孔长度5m，两巷放顶炮孔布置如图1所示。

图1 3205工作面两巷炮孔布设方案

(2)定向水力压裂放顶技术

定向水力压裂技术在采煤工作面坚硬厚顶板中也比较常用，其一般会在岩体中形成方位预设的初始定向裂缝，其将会直接决定岩层裂隙走向。借助高压水在较短时间内，沿预先切割的初始裂缝将岩体破裂，形成具有一定形状和尺寸的分层或块体，其压裂原理如图2所示。

图2 定向水力压裂原理

通常情况下，定向水力压裂技术可以实现对坚硬厚顶板的切断或分层，并使围岩和岩层结构的完整性遭到破坏，以确保高集中应力的有效释放与转移，这样不仅可以提高能量传递时的衰减程度，而且还可以对冲击地压发生的能量条件和应力条件给予有效控制。大量的调查与统计得知，在足量的水压和足够高的压力情况下形成的分层面即所谓的拉裂面，其半径能够达到10m-25m，可以使岩石物理属性发生改变。水力压裂系统一般是由高压管路系统、高压泵、及配套设备组成，如图3所示。其中配套设备又包括了封孔压裂器、定向切槽刀具、高压管路、钻孔窥视仪、压力表、流量等。

图3 水力压裂系统组成示意图

定向水力压裂放顶技术的施工流程如下：①施工钻孔。在设计位置选择与之相匹配的钻机进行施工，以期获得钻孔深度满足压裂要求；②切割初始裂缝。在钻孔内，选择定向切割刀具来对初始定向裂缝进行切割，选择钻孔窥视仪来对初始裂缝的走向和位置进行观测，并对其是否满足压裂需求进行评估；③封孔。将高压管、封孔器，推送到钻孔底部，以实现与流量计、压力表、控制阀等管路系统的有效连接；④注水压裂。启动高压泵，将水注入到钻孔内进行压裂，该过程中需要对压力表的压力变化给予实时监测，如果压力明显降低时，则反映高压水基本上进入压裂岩层，此时还需要继续维持注水压力一段时间，以确保裂缝充分扩展。该方法既可以提高采煤工作面坚硬厚顶板放顶效果，而且还可以确保工作面高效、安全回采。