坚硬顶板综采面端头悬顶处理技术应用

高 旭

（西山煤电集团股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

1 工作面概况

西铭矿48705 工作面走向长度1 700 m， 倾斜长度220 m，开采8#煤层。 8#煤层煤层结构复杂，上中部夹一层0.80～3.50 m，平均2.42 m 厚的泥岩或砂质泥岩夹矸，煤层总厚度3.95～7.6 m，平均5.76 m，其中上分层厚度0.50～0.70 m， 平均0.63 m， 下分层厚度2.65～3.40 m，平均2.95 m，属单一稳定的中厚煤层。

根据煤层结构， 工作面两顺槽本应该托夹矸布置，但由于煤层上中部夹矸松软、易碎，特别是采煤时顶板管理困难，故两顺槽均采用沿直接顶布置。 由于直接顶为石灰岩， 平均厚度达3.08 m， 顶板完整性好，极为坚硬。 经常会出现机头机尾采空区悬顶面积大于2×5 m2。 导致采空区悬顶下大面积瓦斯积聚，顶板及上覆岩层的重量施加到留设煤柱上，严重影响相邻巷道稳定。 由于该盘区瓦斯涌出量较大，回采前必须将相邻工作面顺槽掘出， 作为瓦斯治理巷道，回采期间相邻巷道受动压影响较大，给相邻巷道带来大量的维修工程的同时，悬空顶板大面积垮落所造成的急增压[1]，成为重大安全隐患。

为此，采取措施，让采煤工作面端头顶板在回采过程中及时垮落，从而消除瓦斯积聚危害，释放顶板压力， 减小下一工作面相邻巷道围岩压力，避免巷道变形，具有十分重要的意义。

2 控制综采工作面端头悬顶方案

2.1 打眼放震动炮定向爆破预裂卸压

以往对顶板的管理是采用在两端头架前打眼放震动炮， 待放炮区域进入采空区后使顶板垮落。这样造成的结果如下：

（1）在两端头架前打眼放炮影响工作面的正常回采[2]，耽误生产，且存在一定安全隐患。

（2）当采取措施时，悬顶面积已经大于2×5 m2，待放炮区域进入采空区后，悬顶面积会更大。 措施采取不及时且无法制定施工循环。

（3）采用留设煤柱护巷回采，当回采工作面顶板进入采空区垮落不充分，不规律，直接影响相邻巷道压力过大，导致回采相邻工作面时，需要扩帮拉底施工，工作量增大[3]。

（4）悬空顶板大面积垮落所造成的急增压，端头悬顶面积大导致瓦斯积聚， 对安全带来了更大的隐患。

该方案人工、材料投入虽然较少，但实施起来既耽误生产，悬顶问题又未得到有效处理，给安全带来了隐患。 因此，不采用该方案。

2.2 浅孔定向爆破预裂和预打密集切顶卸压孔

为确保在割煤移架后利用顶板自身的重量及上覆岩层的载荷， 使顶板在回采过程中及时垮落，采用提前在超前支架段对顶板进行浅孔定向爆破预裂和预打密集切顶卸压孔的方法卸压，减小下一工作面相邻巷道围岩变形。

（1）浅孔定向爆破预裂坚硬顶板

利用岩石耐压怕拉的特性，采用双向聚能拉伸爆破技术来实现对顶板的定向切割，将特定规格的药包装入按一定角度在两个设定方向有聚能效应的聚能装置，药包起爆后，炮孔壁在非设定方向上均匀受压，而在设定方向上集中受拉，致使岩体按设定方向拉裂成型；定向爆破的应用增加了爆破自由面， 使得炮孔连线方向上的切向应力显著增加，提高了炮孔间裂隙贯通率和炸药能量利用率[4]。

根据西铭矿实际地质条件，在超前支架外距煤柱帮0.2 m 处采用YTP-26 型风钻打一列定向预裂炮孔，最终确定孔距为0.5 m，孔深为3 m，浅孔预裂炮孔与顶板垂直，当炮孔进入第三、第四组超前支架时装药放定向预裂炮。 从孔底聚能管开始装药并安设雷管和引线， 采用正向装药， 每孔装药2卷(每卷200 g)，装好药后，之后用聚能爆破定向杆调整聚能管切缝方向与巷道方向一致，调整完毕后装水炮泥，再用黄土封口，封口时用木炮棍封严捣实炮孔，具体顶板预裂爆破技术参数及单轨吊巷道切顶预裂炮眼布置分别见表1、图1。

表1 顶板预裂爆破孔技术参数

图1 单轨吊巷道切顶预裂炮眼布置

（2）预打切顶眼弱化坚硬顶板

为解决端头“三角悬板”问题，破坏裂隙发育不完全及坚硬顶板的整体性， 降低顶板抗拉强度，实现顶板随支架推移及时垮落，减小悬顶面积，达到卸压目的，在巷道内采用对顶板预打密集切顶卸压孔的方法[5]，更加有利于顶板管理。

随工作面的推进，在超前支架外5 m 内，距煤柱帮0.2 m 处打切顶卸压孔眼距0.4 m， 排距2.4 m，眼深3.0 m。 卸压孔垂直于顶板。 当回采通过切顶卸压孔后， 利用顶板自身的重量及上覆岩层的载荷，使顶板及时垮落在回采过程中，具体切顶卸压孔布置见图2。

图2 单轨吊巷道切顶卸压孔布置

提前在超前支架段对顶板进行定向预裂爆破和切顶卸压，弱化坚硬顶板的方法，提前施工不影响生产，但人工、材料投入多。

（3）主要创新点

利用双向聚能定向爆破技术，在不破坏超前段顶板完整性的前提下，对顶板进行定向切割，同时结合切顶线方向打密集切顶卸压孔施工，这样既实现采空区悬顶不大于2×5 m2， 又能确保回风隅角瓦斯不超限，保证安全生产。

①采用定向爆破技术，对坚硬顶板进行定向切割，很好地保护了顶板的完整性。

②在切顶线方向打密集孔， 同时对顶板卸压，在割煤移架后利用顶板自身的重量及上覆岩层的载荷，顶板能及时垮落。 保证了采空区悬顶面积不大于2×5 m2，有效地控制顶板面积，防止了瓦斯积聚。

③运用双向聚能定向爆破，极大地保护了煤柱和相邻巷道，为相邻工作面的开采提供了有效的安全保障。

④相比端头强制放顶，现在超前架前进行切顶卸压施工，避免与生产相冲突，从而大大地提高了工作效率。

3 经济效益分析

通过在支架端头预打设顶眼弱化顶板及定向爆破预裂顶板，在不采取强制放顶放炮措施的前提下，解决了工作面端头悬顶面积过大的问题。 解决了工作面端头顶板难以垮落的难题，工作面端头的压力明显降低，有效地防止了工作面端头悬顶突然垮落及瓦斯超限带来的安全隐患。

1）工作进度效益。 未采取措施前，由于顶板垮落不及时，机尾悬顶造成大面积瓦斯积聚，工作面停机状态时上隅角瓦斯0.6%以上， 开机后瓦斯易超限报警，为防止瓦斯超限致使采煤机无法提高牵引速度，平均一刀煤的截割时间为120 min，按0.8 m截深每天6 刀组织，回采该工作面需要354 天。 工作面推进速度较慢。

2）采煤量效益。 采用切顶卸压措施后，顶板能够及时垮落， 停机状态时上隅角瓦斯浓度0.2%左右，这样采煤机割煤速度能适当提高，从原来每天6刀煤，提高为每天7 刀煤，平均90 min 一刀煤。 回采该工作面需要303 天，能提前51 天结束。 平均每天产量增加850 t。

3）安全效益。 按照集团公司规定，工作面端头悬顶面积超过10 m2不垮落， 会受到直接经济处罚。 另外工作面推进后，若不对端头坚硬顶板进行及时处理，顶板就会出现突然垮落，极易损坏工作面设备，甚至造成人员伤亡。

4 结语

在不破坏工作面端头超前段顶板完整性的前提下，对顶板进行定向爆破切割，同时结合切顶线方向打密集切顶卸压孔卸压，不仅保护了煤柱和相邻巷道，避免了与生产相冲突。 该技术在48705 工作面实践过程中的应用效果好，既实现采空区悬顶不大于2×5 m2，又能确保回风隅角瓦斯不超限，保证安全生产，社会效益显著。