采煤工作面端头三角区坚硬顶板治理技术研究

杨文忠

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司，山西 霍州 031400）

坚硬顶板具备完整性好、强度大等特点，在煤层开采后坚硬顶板不容易垮落，从而导致采空区顶板大面积悬顶，特别是在端头位置由于顶板受煤柱支撑，更不容易垮落[1-2]。现场实践证明，采煤工作面端头大面积悬顶顶板突然垮落时会导致采面矿压显现异常、采空区内有害气体外溢、上隅角瓦斯超限及采面瓦斯超限等各种问题，给煤炭生产安全带来显著制约[3-5]。导致采煤工作面端头顶板悬顶的主要原因有[6-8]：

1）顶板岩层本身坚硬，不容易垮落。

2）煤柱及锚杆、锚索对顶板支撑，使得顶板稳定性进一步增加。现阶段针对端头顶板不容易垮落问题，一般采用退锚、深孔预裂爆破或者水力压裂等技术措施。

文中就以山西某矿31303采煤工作面为例，针对端头顶板悬顶问题，提出用切顶爆破方法对顶板进行弱化，现场取得较好成果。

1 工程概况

1.1 地质概况

山西某矿开采的13号煤层赋存条件较好，地质构造不发育，煤层厚度平均6.8 m，倾角5°~9°，采用综放开采方式，全部垮落法管理顶板。31303采煤工作面为3采区第二个回采工作面，采面回采13号煤层，采面设计推进长度2 698 m、采面面长298 m。采面开采范围内煤层直接顶为砂岩（抗压强度72.6 MPa）、基本顶为粉砂岩（抗压强度75.9 MPa），底板为粉砂岩及泥质粉砂岩，具体顶底板岩性如图1所示。

图1 13号煤层顶底板岩性

1.2 端头顶板悬顶实测

在31303采煤工作面推进过程中，采面中部位置顶板岩层可基本垮落，但是在运输巷及回风巷端头位置顶板不能随采面推进技术垮落，具体端头位置顶板形态如图2所示。

图2 端头顶板悬顶示意图（mm）

对采面端头位置采空区悬顶范围进行测定，发现最大悬顶宽度、长度分别为5 m、15 m，悬顶面积超过30 m2，端头位置悬顶面积大会给采面正常生产以及回风隅角位置瓦斯治理带来制约。在端头悬顶面积大、采动压力叠加等因素作用下，巷道围岩变形量较大，监测发现顶底板及巷帮最大收敛量分别为66 mm、102 mm。

2 端头坚硬顶板处理技术

文中结合以往研究成果并依据1303采煤工作面现场情况，提出采用爆破切顶方式对端头悬顶坚硬顶板进行处理。

2.1 爆破切顶方案确定

为解决采面端头坚硬顶板悬顶问题，提出在端头位置布置钻孔进行切顶爆破，从而降低端头后部悬顶面积。依据现场情况，具体提出下述四种切顶方案：方案一，对采面端头位置煤层直接顶切顶；方案二，对采面端头位置煤层基本顶切顶；方案三，对采面端头位置直接顶及基本顶切顶；方案四，对采面端头位置煤层及基本顶切顶。

采用数值模拟软件对上述四种不同切顶方案进行模拟分析，具体不同切顶方案下端头坚硬顶板悬顶面积如图3所示。

图3 不同切顶方案下端头坚硬顶板悬顶面积

从图3中看出，采用方案三（对采面端头位置直接顶及基本顶切顶）时端头悬顶面积最小，面积为57.76 m2，较未切顶时悬顶面积（225 m2）减少约167.24 m2。考虑到在端头位置安装有端头支架且端头支架控顶距离为7 m，端头支架后方空顶面积则降低至7 m2，端头处空顶面积较小，可满足《煤矿安全规程》中关于端头悬顶面积规定。为此，选择对煤层直接顶及基本顶同时切顶方式对顶板进行弱化。

2.2 顶板弱化方案现场应用

在31303采煤工作面端头位置向13号煤层直接顶及基本顶施工钻孔，通过深孔爆破实现切顶，弱化直接顶及基本顶强度，以便实现端头坚硬顶板随采面推进及时垮落。具体布置方案：在采面端头支架前梁位置面向采空区顶板方向施工切顶钻孔，具体钻孔布置如图4所示，每组切顶钻孔包含4个钻孔，钻孔孔深分别为5.1 m、7.8 m、10.8 m以及13.8 m，钻孔仰角分别为54°、68°、74°以及77°；布置的切顶钻孔终孔位置位于13号煤层直接顶及基本顶中。采面推进3 m布置一组切顶钻孔，钻孔施工完成后将乳化炸药装入到钻孔孔底并进行爆破。

图4 切顶钻孔布置示意图

为确保切顶爆破安全，切顶钻孔长度控制在6 m以上；在采面端头支架与施工的切顶钻孔间距为0.5 m时，开始按照设计要求进行装药、连线以及爆破等工作。

2.3 现场应用效果分析

为考察采面端头坚硬顶板切顶爆破弱化效果，对端头顶板爆破前后端头支架受力及围岩变形情况进行监测。具体端头支架受力监测结果如图5所示。

图5 端头支架受力监测结果

从图5中看出，在对端头坚硬顶板处理前，由于端头处顶板悬顶面积大，从而导致端头支架受力较大，监测得到端头支架受力最大为44 MPa；在对端头坚硬顶板采用切顶爆破方式处理后，端头液压支架受力最大值降低35 MPa，受力明显降低。此外，对端头处坚硬顶板处理后，巷道围岩收敛量有所降低，表明切顶爆破后采空区后方直接顶及基本顶分层垮落明显，及时垮落后可降低端头处矿压显现。

端头顶板处理后，端头处周期来压步距降至10 m，同时回风隅角位置悬顶面积降至10 m2以内，悬顶面积显著降低有助于回风隅角位置瓦斯治理并降低进风隅角处采空区漏风量。

3 结论

1）31303采煤工作面直接顶及基本顶均为坚硬岩层，在端头位置由于顶板受煤柱、锚杆（索）以及支架前方煤体等支撑，导致端头处存在大面积悬顶，不仅增加采空区漏风而且导致端头处矿压显现显著，给采面煤炭正常回采带来影响。

2）提出采用切顶爆破方式对端头位置坚硬顶板进行处理，并通过数值模拟技术确定切顶爆破方案，具体对13号煤层直接顶及基本顶同时切顶。根据采面现场情况，制定施工技术方案，采面每推进3 m即在端头处向采空区方向施工切顶钻孔，对顶板进行弱化。

3）现场应用后，端头位置顶板可随着采面推进及时垮落，采空区漏风以及端头矿压异常显现问题得以有效解决。