神农煤业坚硬顶板切眼预裂爆破弱化技术应用

魏 磊

（山西煤炭运销集团神农煤业有限公司，山西 高平 048400）

在我国能源消费中煤炭占据主体地位，虽然国家能源结构有所改变，但短期内煤炭的消费地位不会改变。我国煤矿以地下开采为主，在煤矿生产中，顶板事故是影响煤矿安全高效开采主要因素之一[1-2]。由于煤层赋存条件复杂多变，在一些矿井常常遇到赋存坚硬顶板，由于顶板强度较高、稳定性较好、不易跨断冒落，该类地质条件下煤矿开采时，回采时期尤其是回采初期极易造成大面积悬顶现象，当悬露面积较大顶板发生突然破断，将采空区大量有害气体瞬时冲出，造成工作面瓦斯超限，形成的冲击气压对工作面造成冲击性破坏，从而造成严重的煤矿生产事故。针对坚硬顶板下煤层开采，一般采用顶板弱化的方式，通过弱化顶板岩层，减小顶板来压步距。目前比较成熟的技术手段有高压注水弱化顶板、爆破强制放顶、爆破预裂弱化顶板、高阻力支架切顶等[3-5]。

1 工程概况

神农煤业15101 工作面开采15#煤层，开采区域地面标高+1045～ +1120 m，工作面标高+752～+777 m，埋深为293～343 m。工作面位于一采区中部，南部30 m为15102胶带顺槽，东面95.4 m为F1断层，西部依次为一采区轨道大巷、一采区胶带大巷、一采区回风大巷。开采煤层厚度3.6～4.0 m，平均厚度3.79 m，无夹矸，结构简单。顶板为灰质泥岩、K2灰岩，底板为泥岩或粉砂岩。顶底板岩性特征见表1。

表1 顶底板岩层岩性特征

15101 工作面安装支撑掩护式液压支架101架，其中，ZZ8000/23/47 型中间架92 架，两端头ZZG8000/23/47 型过渡支架7 架，ZZT12000/24/45型端头支架2 架（1 组）。15101 运输顺槽和回风顺槽各安装ZQL2×5850/24/45 超前支架1 套。

2 坚硬顶板切眼预裂爆破弱化技术

15101 工作面基本顶岩性为K2 石灰岩，属坚硬顶板，经计算工作面初次来压步距为35 m，周期来压步距为20 m。由于工作面基本顶为坚硬顶板，在工作面回采初期极易出现大面积悬顶现象，给15101 工作面高效回采带来极大安全隐患。为此，拟采用预裂爆破弱化技术对15101 工作面基本顶K2石灰岩进行超前弱化，以缩短工作面初次来压步距，降低工作面初次来压强度。

2.1 预裂爆破弱化顶板方案

（1）15101 工作面设备安装前，在切眼内距采空区帮2.5 m 处顶板打第一排孔，距采空区帮4.5 m处打第二排孔，两排孔间排距2.0 m×2.0 m。在工作面运输顺槽按间排距2.0 m×2.0 m 各打两排孔。所有炮孔与顶板呈45°夹角，两排孔分别与对应帮呈30°夹角。切眼内的炮孔深度为5.0 m，孔径为40 mm，共布置128 个炮孔。

（2）切眼弱化炮孔装药量为2.6 kg/孔，装药长度2.6 m，封孔长度2.4 m。

（3）自工作面开切眼推进4.8～5.4 m，对爆破钻孔进行装药爆破。

（4）起爆作业在15101 运输顺槽中进行，从15101 回风顺槽侧向15101 运输顺槽侧分5 次依次装药爆破。

2.2 工作面顶板控制注意事项

（1）基本顶初次破断之前，加强观测工作面端头及15101 回风顺槽和运输顺槽超前范围（20 m）的顶板控制情况。

（2）基本顶初次破断之前，工作面移架作业充分实现少降快移，同时，升架后保证支架初撑力。

（3）预计工作面推进30 m 时，将出现初次来压现象，来压期间，保证支架充分接顶，初撑力不低于24 MPa。

（4）预计每推进20 m 左右，将出现周期来压现象，来压期间，加强顶板控制管理，保证支架充分接顶，初撑力不低于24 MPa。

（5）保证工作面液压支架及端头超前支架初撑力不低于24 MPa，加强中部及端部过渡支架工作阻力观测，保证工作面顶板控制质量，预防冒顶事故发生。

（6）加强工作面端头顶板岩层控制，端头超前支架与过渡支架顶梁之间的间距应小于1 m。

（7）加强工作面采动矿压观测，及时准确掌握采场矿压现象和规律。

（8）加强液压支架维护，避免出现漏液、串液现象，保证支架支撑力。

3 工作面矿压规律与顶板弱化控制效果分析

在15101 工作面开切眼处采用坚硬顶板切眼预裂爆破弱化技术，同时监测了支架受力变化情况。表2 给出了10 个观测站的矿压观测汇总数据。由表可知，工作面初次来压步距为20.99～24.90 m，平均来压步距为22.65 m，初次来压强度为28.64～38.41 MPa，平均来压强度33.98 MPa，平均动载系数1.42；工作面周期来压步距16.82～21.09 m，平均来压步距18.62 m，周期来压强度为25.17～32.25 MPa，平均来压强度28.32 MPa，平均动载系数1.18。

表2 矿压观测汇总表

根据邻近工作面矿压监测结果，邻近工作面平均初次来压步距35.46 m，来压强度36.78 MPa。采用坚硬顶板切眼预裂爆破弱化技术，初次来压步距减小了56.6%，来压强度降低了7.6%。采用该技术后，有效缩短了工作面初次来压步距，降低了工作面初次来压强度，避免因工作面回采初期大面积悬顶造成安全事故，表明了坚硬顶板切眼预裂爆破弱化技术的优越性和合理性。效果对比如图1。

图1 顶板弱化控制效果对比图

4 结论

工作面赋存强度较高、稳定性较好、不易垮断冒落的坚硬顶板，回采初期极易造成大面积悬顶现象，给矿井安全生产带来隐患。为此，提出采用预裂爆破方法提前破坏坚硬顶板结构，避免采空区形成大面积悬顶现象。基于此，设计了预裂爆破弱化顶板方案。矿压观测结果显示，采用该技术后，初次来压步距减小了56.6%，初次来压强度降低了7.6%，表明了坚硬顶板切眼预裂爆破弱化技术的优越性和合理性。