高效无声破碎剂在煤矿强制放顶工艺中的应用

吕声瑞

煤矿在生产过程中，综采工作面在推进过程中上下隅角顶板不能及时垮落，尤其是厚层坚硬顶板，当超过一定极限时会发生大面积垮落而造成剧烈动压现象，从而引起顶板事故[1]，同时因工作面上隅角顶板不能及时垮落，导致工作面上隅角极易发生瓦斯积聚，影响工作面正常推进，且容易引发瓦斯事故。因此，采用高效方法进行坚硬顶板强制放顶对工作面的安全生产有着至关重要。

1 工作面概况

1211综采工作面位于一采区北翼，北面为安则村保安煤柱线，南面为一采区开拓大巷，东面为1209工作面，西面为1213工作面。工作面回采2#上，2#上煤位于山西组上部，2#煤上10 m左右，煤厚在1.1～1.5 m，平均厚度1.35 m，属薄煤层，煤层倾角为2°～15°，平均倾角8°。工作面走向长度为1246 m，倾斜长度为160 m，工作面采用走向长壁后退式回采，全部垮落法管理顶板，选用ZY4000-08/18L型支撑掩护式液压支架作为基本架（104架），ZY3200-12/29型掩护式液压支架作为端头架（4架），共108架。

表1 1211工作面顶底板情况

2 工作面端头处老顶垮落机理

端头是指回采工作面与工作面运输巷和回风巷接合的部位。老顶破断后，随着工作面的推进，端头顶板发生周期性的断裂。回采工作面的端头作业主要是在直接顶下完成。而直接顶又受老顶的制约。端头的老顶变形和破断与不同支承条件下的矩形薄板结构类似，使端头老顶形成两邻边固支，另一弧形斜边自由的孤三角悬板结构。当顶板达到极限跨距时，在固支边与自由边交点处弯矩最大，导致破断；随着工作面的推进，悬板不断发生有规律的破断。其破断始于两端最大弯矩处，并沿着弧形主应力线方向扩展[2]。

3 1211综采工作面回风隅角悬顶原因分析

1211综采工作面两巷采用锚杆、锚索支护，由于锚杆、锚索支护的悬吊作用，此作用力作用在弧三角悬板上，使工作面的直接顶与老顶形成一个较为严密的统一体，加之工作面老顶为厚8 m砂岩，自然加大了端头采空区侧的悬顶面积，极大地超过了2 m×5 m的规定，成为生产过程中顶板管理的一大隐患。

4 高效无声破碎剂预裂顶板技术

4.1 施工工艺

（1）钻孔施工范围：

工作面上隅角切顶线至切顶线以南5 m范围内（顶板无离层条件下可在超前支护外提前施工钻孔）。

（2）钻孔施工参数∶

① 直接顶为砂质页岩

钻孔垂直于巷道布置，钻孔间距300 mm，孔径42 mm，孔深2500 mm，排距2000 mm，每排钻孔布置呈一条直线，钻孔与采空区方向水平面呈75°夹角，由北向南逐排施工，因10209运巷西侧帮布置有两趟瓦抽管路，影响钻孔施工，故靠西侧帮1 m范围内未布置钻孔。

图1 顶板为砂质页岩时破碎剂钻孔位置（单位/mm）

② 直接顶为砂岩

钻孔布置分为垂直于巷道和顺巷道布置，参数如下：

a、垂直于巷道钻孔参数：钻孔间距250 mm，孔径42 mm，孔深2500 mm，排距1000 mm，每排钻孔布置呈一条直线，钻孔与采空区方向水平面呈75°夹角，由北向南逐排施工。

b、顺巷道钻孔参数：钻孔距西侧帮1000 mm，钻孔间距250 mm，孔径42 mm，孔深2500 mm，钻孔沿巷帮布置呈一条直线，钻孔与顶板呈90°，由北向南逐个施工。

图2 顶板为砂岩时破碎剂钻孔位置（单位/mm）

（3）施工用具及护具

名称 规格型号锚杆机 MQT-130/2.8钻杆 B19×0.8合金钢钻头 Φ42mm高强度阻燃抗静电编织袋 长×宽=300mm×53mm

（4）破碎剂充填工艺：

①浸泡

先将破碎剂干料装入规格为300 mm×53 mm的阻燃抗静电编制袋中，再将一个操作循环所需要的药卷浸入水中直至停止冒气泡 （水灰重量比为1∶4），从水中取出等待充填（浸水后的破碎剂必须在10 min内充填至孔中，否则将影响破碎效果）。

②充填

垂直巷道眼由西向东（顺巷道眼由北向南）逐孔进行充填。单孔充填时，将药卷逐根密实地装填到孔中并分别捣实。装药深度为孔深的95%，孔口使用破碎剂潮料封实。

（5）工程施工中的安全措施和注意事项

① 无关人员不得进入施工现场，充填完成后，人员不得站立在孔口下方。

② 在破碎剂的装袋和充填施工时，必须戴防护眼镜和橡胶手套，充填后到裂缝发生前孔口下方不得站人，且不得对孔口直视，以防破碎剂喷出伤害眼镜。

③ 冲孔时药剂温度较高且有腐蚀性，冲入眼内可能会对角膜造成严重损害。药剂进入眼内和皮肤上，应立即用清水冲洗。情况严重者立即送医院清洗治疗。

④ 人员严禁进入隅角切顶线采空区侧进行观测，防止矸石垮落伤人。

4.2 效果分析

（1）回风隅角顶板垮落程度

工作面回风隅角在未使用破碎剂预裂前，采空区悬顶面积平均15～20 m2，在使用该技术后，悬顶面积可保持在0～8 m2之间，采空区顶板多数沿破碎剂孔贯穿的裂缝折断下沉，表明顶板垮落情况良好。

（2）回风隅角瓦斯情况

通过采用高效无声破碎剂预裂顶板技术进行上隅角强制放顶，促进了工作面顶板及时垮落，回风隅角瓦斯浓度也由之前的1.2%降低为0.42%。

高效无声破碎剂预裂顶板技术对于顶板垮落具有良好的促进作用。但是，在原巷道支护未完全回收的条件下，该技术效果不佳。因此，为确保破碎剂施工效果，巷道顶帮原支护（锁具、锚杆螺母等）需回收完全。

5 结语

通过在1211工作面采用高效无声破碎剂预裂顶板，从而达到强制放顶的目的，使得工作面顶板及时垮落，避免了回风隅角瓦斯积聚的现象。实践证明，高效无声破碎剂预裂顶板技术对于顶板垮落具有良好的促进作用。

〔1〕尉 瑞，马 震，邹永洺，等.综采面坚硬顶板强制放顶技术研究[EB/OL].北京：中国科技论文在线，201107-156.

〔2〕栗成杰，李树伟.综采工作面端头大面积悬顶控顶技术[J].煤炭科学技术，2008（8）：26-30.