康城煤矿火成岩坚硬顶板强制放顶技术的探析及应用

文/吕宏京

康城煤矿火成岩坚硬顶板强制放顶技术的探析及应用

文/吕宏京

作为一座资源枯竭型矿井，冀中能源邯郸矿业集团康城煤矿主采2#煤层已无可采储量。为了保证矿井生存与发展，尽可能地发掘现有煤炭资源，以延长矿井生产寿命，提高矿井效益，康成煤矿决定对下组煤进行开采。1902工作面作为下组煤首采工作面，其北部煤层直接顶板为巨厚坚硬火成岩。由于其岩石抵抗破坏的极限强度大,煤层开采后可在采空区形成大面积悬顶,短期内不易自然垮落。其初次垮落步距是普通坚硬顶板的2~3倍,周期来压步距是普通坚硬顶板的3~4倍。一旦垮落，给采面的安全生产带来极大的威胁。为此，康城煤矿通过研究火成岩坚硬顶板的形成机理，摸索出一套在初次放顶过程中人工“强放”的安全技术措施，保证了下组煤后续工作面的正常生产，在条件类似的矿井具有广泛的推广应用前景。

一、火成岩坚硬顶板的形成机理

1.工作面顶板产状分析

(1)1902工作面开采条件

1902工作面切眼顶板全部为H2火成岩，顶板厚度2.5～8.4m，平均厚度5.3m。H2火成岩侵入层位于8#~9#煤顶板之间。

1902工作面北部煤层顶板为H2火成岩，厚度8.4m，对煤层厚度影响较大，常有顶压、煤壕等现象。当从煤层顶侵入到煤层底时，则形成切割带、岩墙现象。

(2)工作面回采后顶板产状分析

技术人员根据对1902工作面实际开采过程中的现场观测，并结合前期资料及实际产状可以看出，岩浆以岩墙状、条带状、兜状等形式侵入煤层中，导致煤层厚度不一。浅色闪长岩、闪长斑岩在1902工作面侵入较为普遍。

2.特殊复杂顶板产状的形成机理

(1)实际观测到的工作面不稳定岩层形成机理

根据现场观测和分析，9#煤顶板火成岩形成初期，伴随着地壳的上升运动而上升。在此过程中，较大范围内顶板上升速度大于煤层上升速度，因此顶板与煤层脱离，在此两者相互分离，形成较大间隙，上方岩浆岩大范围侵入此空间。

同时，根据岩浆侵入岩块的大小，可以判断出较大的岩块颗粒是岩浆最早侵入的块体，运动速度快，流动距离远，集中在远端位置；随后的岩浆侵入块体较小，运动中所受的摩擦阻力较大，集中在近端。

(2)切眼位置到初次来压的顶板产状

根据现场记录，发现自切眼到顶板初次来压位置较大的区域范围内，煤层顶板呈现出典型的复合型坚硬顶板形态，岩层的走向角度以及岩层厚度变化不大，赋存情况较为稳定，属于在地层形成初期的成层岩系，没有经过后期较大的地层运动或未收到后期地质构造运动的较大影响，呈现出较为规整的原生地层产状。因此，此区域范围内顶板对煤层的生产影响偏弱，但由于老顶为闪长岩和野青灰岩的复合体，岩体十分坚硬，强度较大。

二、火成岩坚硬顶板强制放顶方案

1.放顶步距的确定

根据测定结果，并结合类似条件煤矿强制放顶爆破参数，计算得出老顶周期来压步距为10m左右，从而确定放顶步距为10米。

2.顶板冒落带高度计算

式中：M—采高;

K—岩石碎胀系数取1.4;

本工作面放顶高度确定为H＝5m。

由于煤层存在倾角，直接顶板冒落后形成堆积的安息角可能小于水平煤层的安息角。因此应在采空区铺设挡板，保证直接顶冒落后形成较大安息角，使垮落岩块能较好的接顶，起到支撑作用。

3.最小抵抗线及孔深的确定

根据1902工作面顶板情况和炸药参数，最小抵抗线取2～4m，则第一层孔取W1=3m，第二、三层孔取W2、W3＝2m。

4.放顶组数及孔深的确定

在工作面两巷各布置两组孔：一组三层三个孔A1、A2、A3，与工作面倾向夹角15°，孔深均为28m。一组两层两个孔B1、B2，与工作面倾向夹角30°，孔深均为18m。工作面中部布置两组三层三个孔C1、C2、C3和D1、D2、D3，垂直工作面倾向，孔深均为15m。

5.钻孔的角度

(1)两巷钻孔参数

水平角度（与煤壁的夹角）。由于步距放顶步距为10m，考虑上一次放顶对顶板的破坏及爆破时不能损坏支架等因素，与工作面水平角度确定A组孔为15°，B组孔为45°。

仰角。1902工作面倾角平均为15°。经计算：在上巷实际打孔的角度为：A1孔＝-6°，A2孔＝0°，A3孔＝7°，B1孔＝0°，B2孔＝10°。在下巷实际打孔的仰角为：A1孔＝24°，A2孔＝30°，A3孔＝37°，B1孔＝30°，B2孔＝40°。

(2)工作面中部钻孔参数

由于工作面倾斜宽84m，且受矿井现有钻机设备的影响，上下巷钻孔深度各为28m。因此需要在工作面中部做两个钻窝，垂直于工作面倾向向老塘打眼，进行爆破作业。钻孔位置为第一组孔距上巷36m，第二组孔距上巷48m，两组孔间距12m。钻孔参数是第一组三层三个孔C1C2C3；第二组三层三个孔D1D2D3由于从架前打孔，中部钻孔的水平角度与煤壁垂直。仰角角度为C1＝D1=150，C2＝D2=26°，C3＝D3=38°。

6.各孔之间的相互距离和打孔顺序

每组孔孔间距均为200mm；如A1与A2、A2与A3孔间距均为200mm。每组钻孔的第一个孔距离煤壁可取70～1000mm。打孔顺序为上巷A组孔、B组孔，工作面中部C组孔、D组孔，下巷A组孔、B组孔。

7.装药长度和封孔长度

装药长度（LZ）应不大于孔深的2／3，封孔长度（Lf）应不小于孔深的1／3。

三、火成岩坚硬顶板强制放顶的施工方式

1902工作面倾斜宽度84m，提前在工作面上下巷每间隔10m施工钻孔，超前2~3个步距，上下巷钻孔施工与早班和检修平行作业，当采够一个步距后，工作面停止生产，在工作面施工2个钻窝，并打钻孔2组，装药，三个班完成以上工作。然后，次日早班放炮，中部开始生产，进入下一个步距放顶，以此循环。当顶板局部放顶高度有差距时，需在工作面上下隅角，采取补打钻孔，施行局部放顶，并对上下巷切顶线内的顶板锚杆进行退锚，利于上下隅角顶板冒落。

四、结语

康城煤矿自实施火成岩坚硬顶板强制放顶方案以来，步距放顶时间由原来的5个班缩短为3个班，每班节约6人，平均月推进40m，每月节约用工24个，每工180元，年节约工资5.1万元；工作面循环产量160吨，2个班完成3个循环，每步距可多出煤480吨，每月多出煤1920吨，吨煤成本410元，售价480元，年盈利13.4万元，综合效益18.5万元。同时，该项成果的成功应用，确保了矿井正常生产，提高了矿井产量，使下组煤开采有了可靠的保障，为矿井后续工作面的回采奠定了坚实的技术基础。

（作者单位：冀中能源邯郸矿业集团康城煤矿）

（责任编辑：周琼）