综放开采顶板弱化实践应用

张丽芳

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 太原 030206）

0 引言

近年来煤炭资源不断减少，开采深度逐步增加，硬质顶板煤层开采比例在不断提高。在回采硬质顶板煤层时，顶板来压强度高，作用区域广，如果不采取措施弱化顶板来压强度和来压影响，将会造成采空区大面积悬空，严重威胁煤矿安全生产[1]。顶板弱化技术有深孔预裂爆破技术、开切眼及回采巷道布置预裂爆破孔技术、水力压裂技术、二氧化碳气体致裂技术等，其中预裂爆破技术相较于水力压裂技术、二氧化碳气体致裂技术，对工人及设备专业度要求较低，为煤矿井下较常使用的顶板弱化技术[2]。本文以山西省某煤矿2301 综放工作面为例，根据其地质构造与煤层赋存情况，选择合理的顶板弱化技术并进行工程实践。

1 工程概况

山西省某煤矿2301 综放工作面为首采工作面，沿倾向布置，走向推进。该综放工作面长820 m，推进长790 m，切眼斜长250 m，平均煤层厚度为5.9 m，夹矸总厚度为0.34 m；顶板以硬质砂岩为主，煤层顶板围岩特征，如表1 所示。

表1 2301 工作面煤层顶板围岩特性参数表

该煤矿11203 回采工作面位于2301 工作面附近，靠近井田边界，地质结构、煤层赋存与2301 工作面相近，顶板围岩主要由硬质砂岩组成。通过该工作面开采作业实际情况，初步预测2301 工作面回采作业煤层顶板初次来压步距在35～55 m 之间，并通过理论计算得到初次来压步距38.77 m。

2 煤层顶板围岩来压分级

通常将初次来压步距超过25 m 且强度指标超过120 的煤层顶板称为硬质顶板。顶板冒落来压当量计算如公式（1）：

式中：p 为顶板冒落来压当量；L 表示初次来压步距；N 为覆盖岩体填充系数；hi为顶板厚度；hm为采高。取值如下：L=38.77 m，N=1.5，hi=1.65 m，hm=4.85 m

计算可得顶板冒落来压当量p=1 133.7 kN/m2。根据顶板分级指标，该工作面煤层顶板p 值超1 075，顶板来压属于非常强烈等级，如果首采过程中不对顶板进行弱化，回采时将会造成煤层顶板大面积冒落，影响作业安全高效进行。综上，需对2301 综放工作面煤层顶板进行弱化处理[3]。

3 煤层顶板弱化技术及应用

结合该煤矿地质构造与2301 工作面煤层顶板厚度、裂隙发育情况，确定使用深孔爆破技术进行顶板弱化处理。

3.1 煤层顶板弱化钻孔施工参数

2301 工作面5# 煤层的基本顶板厚度平均为7.94 m，岩性为中粒砂岩，顶板对上部岩体冒落具有直接影响。在回采过程中，要把这种中粒砂岩作为弱化靶向岩层，以确保回采后顶板岩体能够及时冒落。弱化钻孔布设范围应至少为直接顶（2.65 m）与基础顶（7.94 m）厚度之和，即至少10.59 m，为方便实际钻孔施工，增强顶板弱化效果，将煤层顶板弱化范围设为11.0 m。详细参数如表2 所示。

表2 深孔爆破技术钻孔施工参数表

3.2 煤层顶板弱化钻孔布设方案

结合该煤矿实际情况，2301 工作面在切眼处布设5 组煤层顶板弱化爆破孔，每组4 个钻孔，倾斜角度控制在28°～32°之间，钻孔布设图如图1 所示。爆破钻孔内填充炸药使用煤矿准用三级乳化炸药，装填在矿山自产装药设备中，装药长度6 m，用水泥浆（按水泥浆用量1%加入花千素）封闭钻孔，水泥浆封孔深度应大于5 m，钻孔装填顺序从下到上依次为三级煤矿准用乳化炸药药柱、电雷管、水泥浆封孔、雷管脚线、注浆管与反浆管，其中注浆管长度为3 m，反浆管长度为6 m，两管平行插入水泥浆封孔内，间隔大于10 cm，且均露出水泥浆长度1 m。

图1 煤层顶板弱化钻孔布设示意图（单位：m）

2301 综放工作面煤层顶板弱化施工顺序为：布设钻孔、三级乳化炸药装填、水泥浆封孔、雷管接线、进行爆破。用于爆破的钻孔雷管接线整体采用串联连接，每组钻孔局部并联连接。该工作面切眼中布设5组煤层顶板弱化爆破孔，每组4 个钻孔，采用主-备结构布设，即其中3 个为实际爆破孔，装填三级乳化炸药，1 个为备用爆破孔，当该组中实际爆破孔出现塌孔或其他影响爆破的情况时及时启用。

4 煤层顶板弱化实际效果分析

评价综采工作面煤层顶板弱化效果的指标主要为煤层顶板来压步距和顶板围岩裂隙发育情况[4]。在该煤矿2301 综放工作面使用YTJ20 型岩层探测记录仪对煤层顶板围岩裂隙发育情况开展探测，该型号岩层探测仪可以实时探测并记录岩体深度，结合岩层裂隙可视化测量系统，可实现对岩体离层、破裂、破碎岩体裂隙宽度和范围进行测量。煤层顶板弱化施工前后岩层裂隙探测图对比情况如图2 所示。

图2 2301 工作面煤层顶板弱化前后裂隙探测对比图

由该探测图图可知，煤层顶板弱化施工前钻孔孔壁光滑平整，无明显岩层裂隙发育;煤层顶板弱化施工后钻孔孔壁附近出现贯通的爆破裂隙，探测表明在该工作面煤层顶板采用深孔爆破技术可有效改变顶板围岩完整性，降低顶板岩层强度，实现顶板弱化。对该工作面回采作业期间内煤层顶板来压步距、来压动载系数等来压情况实施监测，监测结果如表3 所示。通过该监测结果可知，2301 综放工作面回采作业期间顶板初次来压步距平均值为19.5 m，相较于弱化施工前初次来压步距38.77 m 降低49.7%，顶板初次来压动载系数均值为1.35。根据监测可知，该工作面煤层顶板在来压期间液压支架工作阻力并未发现明显改变，仅在局部区域内出现小范围片帮，不会对工作面回采作业造成影响[5]。根据上述监测结果分析表明，该煤矿2301 工作面煤层顶板采取的深孔爆破弱化技术在实际应用中效果显著，同时，该弱化技术对工人及设备专业度要求较低，可降低弱化成本。

表3 2301 工作面回采期间初次来压情况监测表

5 结语

某煤矿2301 综放工作面煤层顶板以硬质中粒砂岩为主，如果不采取措施弱化顶板来压强度和来压影响，回采后会造成采空区大面积悬空，严重威胁煤矿生产作业的安全进行。根据该煤矿实际情况，测算顶板围岩来压情况，判定分级情况，并确定采用深孔爆破技术进行顶板弱化处理。通过合理布设爆破钻孔、充填爆破炸药，对该煤层顶板进行爆破弱化，并使用岩层探测记录仪对顶板来压情况进行实时监测。监测结果表明，弱化后来压步距降低49.7%，来压动载系数较低，且成本较低，此次煤层顶板弱化效果明显。