厚煤层综放工作面初采放顶技术应用

赵逢利

(和顺县应急管理局,山西 晋中 032700)

我国大多数煤矿多采用垮落法处理采空区顶板,正常条件下,工作面顶板会随着推进距离的增大逐渐垮落,但部分矿井由于覆岩强度大,岩层难以垮落,导致采空区悬顶面积增大,当顶板一次性垮落后将产生强烈的矿压显现现象,造成工作面压架等事故发生,影响矿井安全生产[1-3].

一缘煤矿开采15号煤,煤层厚度平均为5.5 m,倾角为0°～13°,煤层结构简单,含有2～3层夹矸。150108工作面位于井田西南部,工作面西侧为150110工作面采空区,东侧为实体煤,北侧为开拓大巷,南侧为井田边界。工作面倾斜长度为200 m,推进长度为710 m,采用放顶煤开采工艺,采高为2.8 m,放煤高度为2.7 m. 150108工作面顶板属于坚硬顶板,根据相邻150110工作面回采矿压显现情况,工作面初次来压步距为36.8 m,动载系数达到2.97,同时来压期间液压支架频繁出现安全阀开启现象,由此可见工作面初次来压强度较大,严重影响工作面安全回采。为保证150108工作面坚硬顶板的及时垮落,对综放工作面初采期间爆破放顶技术进行研究。

1 深孔爆破预裂放顶技术方案

深孔爆破预裂卸压的实质是通过在顶板内布置爆破孔,借助具有聚能效应的聚能管实现定向切缝,减小采空区侧悬顶长度,达到卸压目的。为降低工作面初采期间来压强度与来压步距,在工作面初采前进行深孔爆破预裂,保证顶板岩层随着工作面回采及时垮落。根据150108工作面顶板岩层分布情况,煤层上方岩层岩性依次为泥岩1.8 m、砂质泥岩2.3 m、中砂岩7.3 m,岩层总厚度为11.4 m,顶板预裂主要针对其上方7.3 m厚的中砂岩岩层,该岩层位于煤层上方11.4 m处,因此深孔爆破钻孔垂直高度应不小于11.4 m.

1.1 深孔爆破方案

工作面切眼内布置一排爆破卸压钻孔,钻孔距切眼采空区侧煤帮1 m,钻孔与水平夹角为30°,向工作面推进方向施工,钻孔深度为24 m,间距为2 m,钻孔布置见图1. 深孔爆破采用聚能爆破方式,根据矿井所用炸药,炸药直径φ45 mm,聚能管最宽处63 mm,结合工作面顶板岩性、不耦合系数以及以往顶板深孔爆破预裂经验以及施工进度等要求,设计钻孔直径为75 mm,施工顶板爆破钻孔时,选用φ75 mm的钻头,φ63 mm的钻杆。

图1 深孔爆破钻孔布置

根据《煤矿安全规程》规定,深孔爆破时封孔长度不低于孔深的1/3,采用聚能管辅助连续装药,单根聚能管2.0 m,为便于施工操作,因此装药段长度为16 m,封孔段长度为8 m,每个钻孔内安装聚能管8根,顶部3根聚能管每根装药8卷,中部2根聚能管每根装药4卷,下部3根聚能管每根装药8卷。爆破钻孔内采用不耦合方式间隔装药,为保证安全,简化操作,同时确保爆破眼内炸药完全引爆,采用双雷管,双导爆索引爆,每一根导爆索均采用瞬发电雷管起爆,2个雷管采用并联连接,装药结构示意图见图2.

图2 装药结构示意

1.2 钻孔封孔工艺

爆破钻孔采用“两堵一注”囊袋式灌注封孔工艺,封孔结构示意图见图3. 1、2号爆破片开启压力小于3号爆破片开启压力,当浆液通过注浆管进入后,1、2号爆破片受压打开,囊袋被浆液充满膨胀,达到一定压力后1、2号爆破片封闭,浆液顺着注浆管将3号爆破片打开,完成“两堵一注”。与炮泥封孔工艺相比,该封孔工艺气密性更好,有利于爆破冲击波在顶板深部传播,提高爆破效果。

图3 封孔结构示意

封孔注浆采用2ZBQ40/11型注浆泵,该泵双缸独立,两个吸排口能够同时吸浆、出浆,使浆液按照1∶1混合,注浆泵工作压力在0～11 MPa,流量均匀。浆液搅拌桶单筒容量100 L,合计200 L,单次搅拌能够满足3个炮孔封孔使用量(150 L).

2 现场实践

确定150108工作面切眼深孔爆破方案后,在工作面回采前进行深孔爆破,共施工爆破孔105个,累计爆破105个炮孔,2022年8月深孔爆破结束,10月开始回采,截止10月28日,工作面共推进100 m,推进过程中对液压支架工作阻力进行监测,监测结果见图4,来压数据见表1.

表1 工作面来压数据

图4 液压支架监测结果

根据监测结果,当工作面推进至26.5 m时已全范围发生来压,因此工作面初次来压步距为26.5 m,来压时工作面动压系数为1.76,对比相邻150110工作面初采期间来压情况,工作面初次来压步距降低了28.9%,来压强度降低40.7%,来压强度明显减小,并且工作面初次来压期间,工作面煤壁未出现大量片帮。

3 结 论

以一缘煤矿150108工作面地质条件为背景,采用现场试验方法,对厚煤层放顶煤初采深孔爆破放顶技术进行了应用,设计了工作面初采前切眼深孔爆破技术方案,确定了爆破钻孔参数,并对装药方式、封孔工艺进行了研究应用。在现场进行深孔爆破试验后,对工作面初采期间矿压显现情况进行了监测,深孔爆破后工作面初次来压步距降低了28.9%,来压强度降低40.7%,来压强度明显减小。可见,采用深孔爆破放顶技术后能够达到初采卸压的目的。