综采工作面厚硬顶板弱化技术
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摘要：以51303综采工作面回采为研究对象，提出采用深孔预裂爆破方式对开采的13#煤层基本顶（砂岩、厚度10m）进行弱化，并依据现场情况对切顶及运输巷爆破钻孔布置方案以及施工工艺等进行阐述。现场应用后，采面基本顶稳定性有所降低，初次来压步距及周期来压步距分别由53m及18m~24m降低至31m及13m~19m，顶板弱化后采面来压期间煤壁、液压支架等始终保持稳定，顶板弱化取得较好成果。
关键词：煤炭开采坚硬顶板弱化技术矿压显现
引言
当开采煤层顶板为坚硬厚岩层时，采面回采期间矿压显现显著，容易导致采面异常来压或者瓦斯异常涌出等情况，给煤炭安全高效回采带来影响[1-2]。现阶段矿井对于厚坚硬顶板处理技术包括有采空区充填、高强度液压支架、顶板弱化等[3-5]。采空区充填是通过充填物给坚硬顶板一定支撑，使其仅弯曲变形而不出现垮落，从而降低矿压显现程度；高强度液压支架是液压支架给顶板足够的支撑力，可抵抗顶板垮落时产生的动载荷影响，确保采面回采安全；顶板弱化是采用水力压裂、深孔爆破等，避免顶板大面积垮落[6-8]。以51303综采工作面回采为例，针对开采的13#煤层坚硬厚顶板、矿压显现显著等问题，提出用深孔爆破方式对顶板进行弱化，本文对顶板弱化技术实施情况进行分析。
151303综采工作面概况
51303综采工作面回采的13#煤层厚度3.6m，赋存稳定，埋深平均450m，走向、倾向长度分别为890m、125m。采面整体位于一区域单斜构造背面，煤层倾角均值11°。13#煤层伪顶局部缺失，伪顶厚度0.2m，直接顶厚度2.9m砂质泥岩，基本顶为厚度9.9m砂岩，具体煤层顶底板岩性见图1。为掌握煤层顶板参数，在采面回采巷道内布置钻孔对顶板进行取样，具体测定结果见表1。13#煤层直接顶抗压强度31MPa、基本顶抗压强度53MPa，结合相关理论研究成果计算得到采面回采时初期来压步距可达到53m，若采空区顶板突然垮落会导致矿压显现剧烈、瓦斯异常涌出等，因此需要采取适当措施对顶板进行弱化。
2坚硬顶板弱化技术实施
2.1钻孔布置
2.1.1切眼钻孔布置在采面切眼内布置2类深孔预裂爆破钻孔，钻孔分别布置在切眼顶板距离两帮1m位置。根据采面切顶煤层赋存以及顶板岩性情况，在切顶顶板位置处基本顶厚度约为11.35m，设计的爆破弱化钻孔孔深均为10m；爆破钻孔7个为一组，组内钻孔间距1.6m；组间钻孔间距为5.0m，钻孔孔径50mm。孔布置如下页图2所示。2.1.2运输巷钻孔布置由于回风巷靠近已回采完毕的51301采空区，靠近采空区侧顶板已基本垮落，为此爆破钻孔仅在采面运输巷内布置。在运输巷内距离煤柱帮1.0m位置向顶板施工爆破钻孔，孔深12m，钻孔垂直顶板布置。巷道内爆破钻孔间距均为1.8m、钻孔孔径50mm。具体如下页图3所示。
2.2顶板弱化工艺及参数
2.2.1钻孔装药量钻孔装药量会直接影响深孔预裂爆破弱化效果，具体装药量可通过下述经验公式（1）确定。式中：M为单个爆破钻孔装药量，kg；A为装药常数；β1、β2、β3为指数；α为弱化顶板抗压强度。依据现场实际情况，顶板弱化深度按照10m进行计算，则钻孔内装药量应控制在2.35kg以上，即单个钻孔内药卷装入量为10卷。
2.2.2装药工艺切眼以及运输巷内布置的爆破钻孔封孔长度为5.4m，装药长度控制在6.6m以上，采用不耦合装药方式，单节装药长度控制在2.2m。装药载体为Φ40mm双缝预裂管。采用Φ40mmPVC管作为药卷载体向孔内下放药卷。由于钻孔内下方的药卷数量较大，爆破时产生的能量较高，为此封孔时需特别注意，应确保炮泥封堵紧实、严密。
3现场顶板弱化效果分析
为考察切顶以及运输巷内施工的爆破钻孔对坚硬顶板弱化效果，顶板弱化前后采用钻孔窥视仪（型号YTJ20）对顶板裂隙扩展情况进行考察。具体顶板弱化前后情况如图4、图5所示。从图4、图5中看出，在对顶板坚硬岩层弱化前，钻孔孔壁光滑、裂隙不发育，是由于煤层基本顶强度大、胶结性好等导致；对煤层顶板弱化后，钻孔孔壁均出现变形且发育贯通裂隙，表明顶板弱化效果较好。51303综采工作面顶板弱化采面初次来压、周期来压步距分别为31m、13m～19m，来压期间采面液压支架工作阻力为4300kN，采面来压显现不明显，液压支架安全阀均未开启，采面煤壁始终保持稳定。51301综采工作面为51303综采工作面邻近采面，两个工作面地质条件、顶板条件较为相似，51301综采工作面采面初次来压、周期来压步距分别为53m、18m～24m，来压期间煤壁出现一定程度片帮情况，采面液压支架工作阻力为6500kN，部分液压支架出现安全阀开启情况，同时采空区瓦斯涌出有所增加。通过上述分析得出，对51303综采工作面顶板坚硬岩层进行弱化后，采面初次来压及周期来压步距等均有所降低，同时矿压显现不明显，不会给采面回采带来影响。
4结论
1）51303综采工作面直接顶为厚度较大且较为坚硬的砂岩，若不对顶板进行弱化，则采面来压期间容易矿压显现明显，煤壁出现一定片帮情况且采空区瓦斯涌出有所增加，给采面安全回采带来一定制约。2）提出采用深孔爆破方式对顶板进行弱化，具体在切眼以及运输巷内顶板施工钻孔，降低坚硬顶板完整性以及强度。依据现场情况，对深孔爆破钻孔布置方案以及顶板弱化工艺等进行分析，并进行工程应用。3）现场应用后，煤层上覆坚硬顶板裂隙发育，岩层完整性以及强度等均有所降低；采面初次来压及周期来压步距均降低至31m、13m～19m，来压显现不明显，液压支架以及煤壁等均保持稳定，表明现场采用的坚硬顶板弱化技术取得较好成果。
参考文献
[1]时昌鹏.坚硬顶板大倾角软煤综采安全技术探析[J].江西煤炭科技，2021（4）：4-6.
[2]鲁蒙,舒梅,周横全.综采工作面坚硬顶板弱化技术研究[J].中国矿山工程，2021，50（2）：51-54.
[3]张宪军.薄煤层综采工作面坚硬顶板弱化技术研究[J].中国矿山工程，2021，50（1）：36-38.
[4]郝强.综采工作面坚硬顶板弱化技术研究[J].内蒙古煤炭经济，2020（21）：45-46.
[5]赵素强.采前顶板预裂在坚硬顶板综采工作面中的应用[J].石化技术，2020，27（9）：180-181.
[6]刘宏伟.超前深孔预裂爆破弱化顶板技术研究与应用[D].淮南：安徽理工大学，2017.
[7]彭磊.综采工作面厚硬砂岩顶板控制研究[D].淮南：安徽理工大学，2015.[8]栾瑞宣.深部煤层厚硬顶板断裂规律研究[D].淮南：安徽理工大学，2013.
作者:李金录 单位:汾西矿业两渡煤业
