厚层坚硬顶板采煤工作面深孔爆破强制放顶实践

2020-10-12李刚

山东煤炭科技 2020年9期

李刚

（潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西宁武 036706）

坚硬顶板是指煤层上方存在的高强度完整性岩层。与普通顶板相比较，坚硬顶板易造成大面积悬顶结构，导致煤体压力增大，同时顶板破断往往伴随着巨大的能量释放，易引发矿井灾害。目前处理坚硬顶板的措施主要有高压注水技术、煤柱支撑技术、预裂爆破技术等。其中预裂爆破技术由于其操作简单、成本较低而作为主要技术手段。本文以潞宁煤矿24012 工作面为研究背景，针对厚层坚硬顶板大面积悬露现象，设计相匹配的强制放顶技术，并结合现场实测确定合理的爆破参数，实践成果可为类似工程案例提供借鉴。

1 工程地质概况

24102工作面位于井田西南部的二四采区，上部、下部均为未采动区域。开采侏罗系大同组上部的2#煤，煤层厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，f=3.5，煤层倾角为2°～3°，平均倾角2.5°。煤层直接顶为3～7.3 m 厚的泥岩与粉砂岩，多为交替出现，强度低且易破碎，抗压强度为10.6～17 MPa；基本顶为细粒砂岩，厚15 m，石英为主，钙质胶结，致密完整，裂隙不发育，单轴抗压强度为50～80 MPa，属于坚硬厚顶板。

2 坚硬顶板强制放顶方案设计

2.1 顶板初次来压与周期来压步距计算

在进行强制放顶爆破方案设计前，通过建立采场结构力学模型进行初次来压和周期来压步距计算，依此确定采用何种放顶方式。当采场顶板初次来压时是由切眼后煤体及工作面前方煤体双支撑，因此将顶板初次来压时的基本顶当做两端固支梁计算，计算公式如下：

式中

Lc-初次来压步距，m；

h-基本顶厚度，m；

R-基本顶抗拉强度，MPa；

q-基本顶承受载荷，MPa。

当初次来压后，随着工作面的推进，基本顶将会发生周期性破断。此时只有工作面前方煤体作为岩梁的一个支点，所以周期来压时应当把基本顶当作一端固支的悬臂梁，计算公式如下：

式中

Lz-周期来压步距，m；

h-基本顶厚度，m；

R-基本顶抗拉强度，MPa；

q-基本顶承受载荷，MPa。

根据24102 工作面实际地质参数，取h=15 m，R=80 MPa，q=10.0 MPa，代入式（1）和（2）得，初次来压步距为Lc=60 m，周期来压步距Lz=25 m。由此可以预计，在不采取弱化顶板的措施情况下，24012 工作面将会出现较大来压步距，对安全生产造成隐患。因此考虑在工作面切眼与两巷内均进行强制放顶操作。

2.2 切眼初次放顶方案

24102 工作面切眼全长245.72 m，强制放顶共布置41 个炮孔，如图1 所示。其中A、B、C、D1～D14、G、H 布置在切眼靠近老塘侧，距切眼靠老塘侧煤墙距离≤500 mm，所有炮孔平行于切眼向下山方向钻进；E1～E16 布置在距D 排孔1 m 的平行线上，所有炮孔与切眼轴线成60°角向下山方向钻进。M1、M2 和N1、N2、N3、N4 炮眼分别布置在运巷、风巷超前支护段内。其中M1、M2 与水平方向成36°和43°，N1、N2、N3、N4 与水平方向成58°、70°、70°、70°。详细爆破参数见表1。

图1 切眼深孔爆破布置图

表1 切眼深孔爆破参数

2.3 两巷步距式放顶方案

为减小周期来压步距，在两巷采用周期性深孔预裂爆破进行辅助爆破放顶，如图2 所示。炮孔沿两巷分组间隔布置，相邻两组炮孔中心B 间距18m，两巷每组各有7 个炮孔，分别为A、B、C、D1、D2、D3、D4 孔。其中D1、D2、D3、D4 孔均匀分布在两组炮孔的中间，两巷的A、B、C 三孔间距均为0.5 m，在距顶板1 m 位置处，沿垂直煤墙方向打设炮孔。详细爆破参数见表2。

图2 两巷深孔爆破布置图

表2 两巷深孔爆破参数

3 工业性试验

3.1 施工工艺

钻孔采用ZLJ-650 钻机，钻头直径65 mm，钻杆直径Φ42 mm，每根钻杆长度1.5 m。根据设计的炮孔布置方式和参数进行打孔，打孔最少超前工作面煤壁40 m。爆破相关设备与材料均采用煤矿许用产品，炸药使用药卷规格Φ45×450 mm 的3 号乳化炸药，雷管采用普通8#瞬发电雷管，导爆索采用规格为Φ5.2～5.5 mm 的导爆索。为确保爆破效果，采用连续耦合方式进行装药，配合双雷管加双导爆索引爆。封孔材料选用颗粒度＜5 mm 黄土，用水湿润至可用手捏成团状。采用MFB-200 型起爆器起爆，起爆前将电雷管缠绕于起爆药包，并将起爆器导线与起爆药包牢固连接，采取“局部并联，整体串联”的方式进行起爆。