坚硬特厚煤层综放开采过程中顶煤松动弱化处理

坚硬特厚煤层综放开采过程中顶煤松动弱化处理
1 概述
厚煤层放顶煤开采，是近几年逐渐发展起来的一种新的开采技术。

通过采取一些技术措施，改善硬煤层的冒放性，也可取得良好的经济效益。

影响顶煤冒放性的因素很多，但主要是顶煤的硬度和节理裂隙发育程度。

硬度大，冒落的块度也大，但不易放出。

根据生产实践，结合顶煤的条件，一般都采取煤层注水和顶煤松动爆破及两者相结合的方法。

2 煤层注水
(1 )注水软化特点煤体具有吸水的孔隙系统，在注水压力的作用下煤体孔隙吸收水分;另一种导水性好的裂隙，在裂隙面吸水后，能使煤体的强度降低。

煤体的强度通常是与煤体中的含水率成正比。

裂隙发育的煤层透水性强，而裂隙不发育的致密煤层透水性差，有些煤层由于存在较多的次生裂隙，水能从裂隙中迅速流失，这对软化顶煤是极为不利的。

为了有效地改善顶煤的冒放性，应在实验室先进行软化特性实验，测定煤体强度与含水率的关系。

(2 )注水软化实例
1) 铜川矿务局下石节209综放工作面长150m，在工作面中部顶煤体内沿顶板开掘一条注水巷，顶煤注水孔水平间距为20一30m，每孔注水量为
100-200砰，注水压力16 MPa。

由于工作面前方的顶煤在支承压力作用下发生断裂，煤体内裂隙增多，有利于达到压裂煤体的效果，注水工作选在工作面前方60一loom处。

当打完3个孔眼后，即开始同时注水，并进行下3孔打眼，当煤壁出现淋水时停注，拔出封孔器，进行下3孔注水，依次循环进行。

工作面每推进2m 注水一排，每日注水工作面全长的1/2。

通过煤壁深孔高压注水，使吨煤注水量达到0.02m3，煤的强度减弱，顶煤实测含水率由1.5%提高到3.47%。

2) 铜川矿务局玉华煤矿综放工作面采用工作面架间爆破加注水软化相结合的方式。

工作面煤尘减少，放煤时大块煤减少，放煤口能看到研石，但工作面煤壁软化的效果不明显。

3 松动爆破弱化顶煤
(1) 各种爆破方式的特点
1)工作面架前(间)爆破是在工作面支架前探梁或顶梁处向上打眼进行爆破。

该种方法的特点是:①可节省投资，不必另开工艺巷和增大顺槽断面等;
②会影响机采作业时间，特别是需要进行深孔爆破时会挤占采煤机的割煤时间;即使是检修和打眼放炮同时作业，也会产生放炮和检修作业上的矛盾;③
在架前或架间爆破，飞溅的煤渣和夹研容易造成立柱的损坏;④安全性较差。

由于瓦斯上浮积聚，在高瓦斯矿井，顶煤爆破容易引起瓦斯爆炸，特别是在预采上分层区域，更容易引起瓦斯爆炸事故。

2) 顺槽爆破是在工作面运输顺槽和回风顺槽向顶煤钻孔，其特点是:①超前爆破，不占用检修和生产时间，效率较高;但此种方法要求两顺槽的断面较大，维护要求也较高;②由于此法为深孔爆破、容易造成炮孔封堵过实，工作面两端会出现爆破盲区，影响顶煤的采出。

另外，运行的矿车会对打眼、装药的工人造成一定的危害。

3) 工艺巷爆破是在工作面上方沿推进方向开掘专用的顶层工艺巷，向顶煤钻深孔预爆破，此种方法的特点是:①增加了巷道的掘进量，工作面投资较大;②由于是超前爆破，充分利用了爆破弱化后支承压力可再压裂的破碎过程，达到了降低块度，提高顶煤采出率的目的;③克服了以上两种爆破方法的缺点，既不影响底层机采作业，也不会对支架造成威胁，也不影响工人的作业安全。

(2 )实例
1) 架前或架间爆破
彬县下沟煤矿ZF1804工作面所采煤层为侏罗纪延安组8“煤层，煤层厚度为16.87一18.63 m，煤层倾角50一70，煤层坚硬系数f=2.5一3.7，煤层的侵水能力较差。

架前爆破炮孔间距为1.5m，顶眼排距4.8m，眼深为10一llm，顶眼与煤层的夹角为750。

通过架前爆破，顶煤的冒放性得到了极大的提高，顶煤回收率由实施前的67.5%上升至80%以上;放煤速度由原来的每架3min 20 s减少到每架2min 36s，提高了放煤效率。

顶煤平均回收率70%,最高达80%。

2) 顺槽深孔爆破
充州矿务局鲍店煤矿1310综放面走向长度1028m，倾向长198m，煤层厚度8.20一9.50m，平均8.70 m，工作面采用综采放顶煤一次采全高采煤方式，采放比1:2，煤层稳定，结构简单，煤层普氏硬度f=3.1一3.9，硬质煤体f=4.1一4.9，煤层倾角40-130。

由于运顺槽中有皮带运输系统，进行爆破不方便，故在轨道顺槽进行深孔预裂爆破。

轨道顺槽爆破方法为:超前工作面>50m，分别向煤层顶煤中打控制孔和爆破孔，采用单排孔，长短结合交错布置的布孔方式，即爆破孔布距为16m，爆破孔与控制孔间距为8m，长短孔布距为4m,实施爆破后，不仅使综放工作面回采率由原来的81.7%提高到86.1%，并提高了煤层注水效果。

3) 工艺巷预爆破
大同矿务局忻州窑矿8911工作面，长150m，推进长522m，平均煤厚7.5m，煤质坚硬，单轴抗压强度37.43 M Pa，裂隙不发育，平均密度1.13条/m。

采用4条巷布置，其中2条底层巷分别为工作面的运输、回风平巷，2条顶层巷为实施预爆破顶煤的工艺巷。

用3kW岩石电钻打眼，星三角形布孔形式，孔距2m、孔径为60mm、孔深为35m，选用3“抗水煤矿按梯炸药，封孔长度为6m，一次起爆6个孔，起爆位置距工作面20m远。

实施爆破后，顶煤放出率达71%，工作面采出率80.37%，平均月产10.8万t，较未实施预爆破的8920工作面顶煤放出率提高了34.7%，较采用矩形布孔的8916工作面顶煤放出率提高了6.4% 。

4 施工机具
(1 )浅孔爆破
目前国内进行浅孔松动爆破顶煤的机具通常采用功率为1.2kW的煤电钻，当顶煤的硬度较大时使用1.5kW的煤电钻。

以乳化液为动力的钻具，可直接从支架上接动力，功率大，体积小，操作方便。

(2 )中深孔爆破
中深孔顶煤松动爆破要求钻孔的深度是3-15m，施工时一般使用功率≤
3kW的煤电钻或岩石电钻。

在工作面架前或架间爆破，多是向顶煤打眼，使用体积小、重量轻的煤电钻和岩石电钻，钻孔和排渣比较容易。

(3 )深孔爆破
由于钻孔深度较深，所以对钻具的要求比较严格，一般在井下钻深孔时均使用液压钻机或风动钻机，如:由煤科总院重庆分院研制的ZYZ及ZYG系列全液压钻机、西安分院研制的MK系列全液压钻机、镇江煤矿机械厂研制的MYZ系列多功能液压钻机和洛阳风动机具厂生产的KHYD75 diA型风动岩石钻机等在深孔钻进中都得到普遍地应用。

比较常用的钻机:①KHYD75dI A型矿用隔爆电动岩石钻，该钻机在钻架的配合下可水平向前或倾斜向上、向下钻孔，可湿式钻孔。

钻机在作业中只需操纵手轮即可自行推进和后退，并可根据钻孔直径配选用Φ75mm和Φ90mm的钻头;②MK-2或MK-3型全液压钻机，该机由主机、泵站、操纵台等组成，解体性好，可视钻场情况灵活布置。

③MYZ-l00Z型煤层注水钻机，主要用于煤屑注水、探水钻孔，也适用于煤矿井下其它公称钻孔;④TXU-75 A型钻机，主要用于探水、探煤、抽放瓦斯及防尘注水等钻孔，该机结构简单，体积小，操作方便，性能可靠。

5 选用的炸药及装药方式
(1 )浅孔和中深孔爆破炸药
对于浅孔和中深孔爆破来说，处理顶煤时多半是由下往上打爆破孔，且多是干式打眼，所以通常采用硝胺炸药。

一般为煤矿2#、3#硝胺炸药和2#、3#抗水硝胺炸药。

有些高瓦斯矿井也使用乳化炸药、水胶炸药或更加安全的被筒炸药和离子交换炸药。

(2 )装药方式
1) 传统形式装药
对于松动爆破浅孔和中深孔装药，一般均使用传统的炮棍送药方式，部分深孔爆破也使用该种方式。

即用木质棒和抗静电塑胶棒连接的接力棒，可以是软连接，也可以是用丝扣的形式硬连接。

2) 装药器装药
矿山装药器是一种以压气为动力，直接向炮孔内喷射炸药的装药设备，其工作原理可分为压人式、喷射式和联合式。

用装药器装药不仅可提高爆破效率和劳动生产率、降低生产成本、而且可减轻工人的劳动强度，随着煤矿井下开采技术的提高，高强度的传统装药方式将被风动装药器装药所代替。

3) 封孔
a. 封孔材料
炮泥是用来封塞炮眼的.炮泥质量的好坏和封泥长度直接影响到爆破效果和作业的安全性。

由于炮泥能阻止爆生气体自炮眼透出，自爆炸初始就能在炮眼内积聚压缩能，增加冲击波的冲击力，同时能使炸药在爆炸反应中充分氧化，放出更多的热量，提高爆破效果。

另外，由于炮泥的堵塞作用，可减少有毒气体的生成，降低爆生气体逸出工作面时的温度和压力，从而可减少引燃瓦斯煤尘的可能性。

封孔炮泥主要采用:①粘土炮泥。

它是由粘土和水按一定的比例混合而成，经炮棍捣实以达到爆破时封孔的目的;②水炮泥。

它是在塑料圆筒内装满水，封孔时用炮棍轻轻捣人炮孔，水炮泥的优点是:由于爆炸气浪的冲击作用，使水炮泥中的水形成一种水幕，可降低炸药爆炸后的温度，使爆炸火焰存在的时间大为缩短，减少引爆瓦斯和煤尘的可能性，有利于安全生产;③混凝土砂浆。

炮孔内有水或使用粘土炮泥和水炮泥封孔达不到封孔质量要求时，可适当使用混凝土砂浆进行封孔。

用这种方式封孔、效果好，但工序复杂，费用高、现场操作不方便。

b. 封孔方式
炮孔的封孔方式和装药方式大体相同，或是以炮棍推送捣实，或是使用风动装药器将微潮的粘土吹入封实。

若使用混凝土砂浆封孔，则需一边往炮孔送混凝土砂浆，一边用炮棍捣实，用这种方式封孔的长度不宜太长，否则不易操作。

6 结语
深孔预爆破在综放开采中的已得到越来越广泛的应用，深孔爆破选用炸药正在由硝胺炸药向不含TNT的乳化炸药过渡，粉状乳化炸药在非煤矿上应用已经非常广泛，但在煤矿井下还没有得到应用。

由于炸药的抗水性等爆炸性能只是在实验室内测定的，它会随着现场使用环境的改变而改变，所以在炮孔内有水和渗水严重的情况下使用，粉状乳化炸药的抗水衰减程度很难估测。

对于深孔爆破，目前大多使用双雷管和双导爆索起爆，所以主要适用于工艺巷顶煤爆破。