采煤工作面初采坚硬顶板预裂软化技术应用

坚硬顶板预裂软化技术应用

采煤工作面坚硬顶板难于垮落一直是国内外顶板控制中的一个难题。有的初次垮落跨度达50m以上，冒落面积在3000m2以上，大面积的顶板在极短的时间内冒落，不仅对回采工作面支护产生严重的破坏，而且把已采空间的空气瞬间排出，形成巨大的风暴，对人员和设备造成严重损害，甚至对附近巷道乃至矿井破坏极大。因此，对工作面的坚硬顶板采取相应的安全防治措施，对保证人员和设备免受严重的损害、工作面能够安全正常回采和企业的发展等都具有十分重要的意义。

目前，山西**煤业有限公司上组煤（3#煤）资源已接近枯竭，下阶段已开拓准备开采下组15号煤层。

文章以15号煤层首采工作面坚硬顶板为主要研究对象，研究坚硬顶板灾害发生的原因和规律，探索矿井坚硬顶板灾害防治技术，实现矿井顶板预裂软化、矿井顶板事故的防治与采掘生产安全的有机结合。

1、15号煤层围岩地质力学分析

据井田内钻孔资料，区内15号煤层上部常因相变出现厚度0～2.36m，平均0.93m，从较大范围看呈透镜体状以泥岩为主的夹层，从而分叉产出所谓的14号煤层。14（或15）号煤层直接顶板（也为老顶）为K2灰岩，厚度5.75～8.39m，平均6.78m，岩石多呈厚层状，紧硬，工程地质性能优良。15号煤层底板以泥岩或黄铁矿泥岩为主，时夹细砂岩薄层及灰岩透镜体等。

15号（或14号）煤老顶及直接顶板K2灰岩的密度为2.59～2.71g/cm3，含水率为0.1～0.2%，饱和极限抗压强度为147.5～152.5MPa，为坚硬岩石，其抗拉强度为 4.2～4.8MPa，泊松比为0.20～0.22。

15号煤井巷围岩中的底板泥岩稳固性较差，顶板K2灰岩的稳定性较好，为坚硬顶板。

2、15号煤层坚硬顶板预裂软化技术理论分析

2.1预裂爆破的目的

针对15号煤层上覆坚硬顶板进行爆破预处理，顶板爆破可以提前预裂煤层上方厚层坚硬顶板，破坏顶板的整体性，人为控制局部老顶跨落步距，减小老顶悬臂梁跃度和悬顶面积，破坏顶板储能条件，防止或减少冲击地压的发生；顶板爆破可以利用炸药爆炸时的爆轰波破裂顶板，提前释放老顶岩层蓄积的部分弹性能，降低应力集中程度；顶板爆破可以提前对采空区顶板进行松动预裂，释放沿空侧顶板压力，能有效地降低侧向压力对实体煤侧的应力集中程度。

2.2岩石爆破损伤断裂机理分析

在岩石爆破机理研究中，一般认为造成岩石破坏的原因是冲击波和爆生气体膨胀压力共同作用的结果。冲击波的作用只表现在对形成初始径向裂纹起先导作用，而大量破碎岩石则是依靠爆生气体膨胀压力作用。对均质岩体以应力波为主；而对于整体性不好、节理裂隙发育的岩体，以爆生气体作用为主。

岩石爆破过程在炮孔周围的空间上可分为三个区域：爆破近区（强烈冲击区，不大于2～3倍的炮孔直径）；爆破中区（非线性过渡区，不大于2～6倍的炮孔直径）；爆破远区（线弹性区）。

爆破作用下岩石破坏、断裂过程可分为以下2个阶段：⑴爆炸应力波使压碎区产生宏观裂纹，并激活、扩展破裂区的原始裂纹。⑵爆生气体的准静态作用使爆炸应力波形成的裂纹产生二次扩展。

3、坚硬顶板预裂软化设计方案及施工

3.1坚硬顶板预裂软化设计方案

爆破弱化是用爆破的方法人为将顶板切断，使一定厚度的顶板冒落形成矸石垫层。切断顶板可以减小顶板垮落面积，减弱顶板垮落时产生的冲击力；形成的矸石垫层则可以缓解顶板冒落时产生的冲击波及风暴。目前爆破弱化的方法有浅孔放顶、步距深孔爆破、超前深孔预裂爆破、地面深孔放顶等。

根据15#煤具体情况，结合临近矿井开采15#煤层的经验，确定15101首采工作面初采采用超前深孔预裂爆破的方式处理顶板。超前深孔预裂爆破主要作用是：切断坚硬顶板，减小顶板垮落面积。具体做法是在工作面顺槽和切眼内向顶板打深孔，预先破坏顶板的完整性。通过超前深孔预裂爆破的方式弱化顶板，减少初次来压步距和周

期来压步距。

3.2工作面切眼预裂爆破施工：

（1）工作面设备安装后，在切眼内距老塘侧巷帮1m处顶板打双排眼，排距 1.5m，并在工作面两端头向外侧打一组扇形炮眼。175m 长的切眼共布置32组炮眼,每组2个放炮孔,共64个炮眼。其中工作面内布置30组炮眼，共60个炮眼；工作面两端头各布置一组炮眼，共4个炮眼。炮眼布置图见图1、炮眼布置剖面图见图2，工作面超前预裂爆破具体参数见表1。

表―1.工作面超前预裂爆破具体参数

图―1炮眼布置平面图

图―2 炮眼布置剖面图

（2）切眼爆破时间：在工作面从切眼处开始推进3—4刀后，即2.4—3.2m时在切眼液压支架后进行装药、连线和爆破，爆破前，工作面通风系统按回采时的通风系统不变。

（3）切眼炮孔爆破：放炮使用BF-200型起爆器1台，在15101工作面轨道巷使用。起爆顺序是从运输顺槽端头开始向回风顺槽侧端头分依次起爆。

每次起爆2个炮孔，为分组装药，分次爆破。一茬炮连线采用“局部并联，总体串联”的方式进行（即2个炮孔串联，1个炮孔内并联）。起爆顺序：

d8、d8’→d1、d1’→……→c2、c2’→c1、c1’→……→b2、b2’→b1、b1’→……→a2、a2’→a1、a1’

4、预裂软化施工效果评价

***工作面实施深孔预裂爆破取得了较好的效果。在支架后侧炮眼爆破后，顶板出现了一条较深的“沟槽”裂隙。当工作面推进三个循环以后，顶板开始大面积冒落，垮落由两顺槽端头向工作面中部延伸，冒落范围达到了工作面的1／3左右；工作面继续向前推进10m 左右，顶板全部冒落，并出现随采随落的现象，支架后部空间被冒落的矸石充填密实。在初采放顶推进过程中未出现切顶、压架和瓦斯瞬间大量涌出的现象。本次首采工作面坚硬顶板深孔爆破较好地实现了顶板预裂的目的，防止了工作面因顶板瞬间大面积来压引发破坏工作面综采设备、危害作业人员人身安全等事故的发生，保证了工作面正常安全高效生产。