丰峪煤业十三采区10 号煤坚硬顶板强制放顶技术研究

陈腾飞

（山西焦煤霍州煤电集团丰峪煤业安装分公司, 山西 临汾 031400）

0 引 言

随着煤炭的井工开采不断向深部复杂条件延伸，高应力成为影响安全高效开采的一个重要因素，同时，由于埋深的增加，煤层顶板的强度、完整度也在不断增大，数据表明，坚硬顶板的比例已经占到煤矿开采的40%[1-4]。在此条件下，全部垮落法管理顶板就会导致顶板长时间裸露不垮，甚至出现突然垮落，导致压架、切顶灾害，给工作面设备及人员生命安全带来威胁[4-5]。因此，研究对坚硬顶板的弱化方法，促使顶板以正常垮落步距随回采垮落，减小来压步距，减少空顶时间，对降低顶板灾害具有十分重要意义。

国内外许多学者对此进行过大量研究，张胜利、张昌锁采用数值模拟确定了定向断裂爆破的实施方案，并通过工程应用验证了其可行性。刘儒侠通过理论分析、数值模拟完成了水力压裂强制放顶方案，并成功实施。李琨将PVC 管串联药包以及炮泥加木楔封口技术成功运用在爆破强制放顶中。本文通过理论分析、实验室强度测试、相似模拟等方法，分析研究定向断裂爆破对顶板强度的影响，进而形成扇形布孔定向断裂爆破方案，经过现场实施，10 号煤的坚硬顶板得以弱化，实现随采随落完全充实采空区，采动过程中没有出现顶板切顶、压架等灾害现象，达到了预期的放顶效果。

1 坚硬顶板分类及破断特征

1.1 坚硬顶板概念

对于坚硬顶板的定义，尚未形成定论。根据常用的实践共识，通常以强度和垮落步距来判定，强度超过12、初次垮落超过25 m，此类顶板即可被判定为坚硬顶板。此类顶板硬度大、完整、抗压强，力学性质稳定[6-7]。国内生产实践常常通过判断老顶初次来压当量对顶板坚硬程度进行分级，判定公式如下[8-9]：

式中：L0为老顶初次来压步距/m；hm为煤层采高，m；N为直接顶充填系数，N=hi/hm；hi为直接顶厚度，m。

当P≥1 075 时，可预判顶板来压程度非常强烈，对应顶板可判定为坚硬难垮落顶板。

1.2 破断特征

正常情况下，顶板的垮落需要经历4 个过程：强化-裂隙扩展-松动破碎-垮落，在初次破断初次来压后，周而复始开始周期性垮落，初次垮落特征如图1 所示。

但对于坚硬顶板，初次垮落的长度一般较大，会在经历长时间悬顶后，在高应力作用下发生破断，剧烈的破断会造成压架等直接事故，严重的还会引发飓风、瓦斯爆炸等间接灾害。

图1 顶板初次破断特征

2 工程应用

丰峪煤业13 采区10 号煤层标高+320~+570 m，对应地表标高+770 ~ +630 m，上部盖山厚达250~370 m。平均煤厚2.35 m，煤层倾角8°，工作面斜长150 m。直接顶主要成分是中-细粒砂岩、泥岩，厚0.2~2.2 m。煤层顶板为质地坚硬的K2 石灰岩，厚9 m，强度大，完整性好，底板岩性以泥岩、粉砂岩为主，厚0.10~6.64 m。

2.1 顶板弱化方法

目前，实践中较为常用的坚硬顶板弱化方法，有预裂爆破、水力压裂、联合弱化3 种，其优劣势对比情况见表1。

表1 常用顶板弱化方法对比

根据以上3 种技术优劣对比，以及丰峪煤业13采区实际，选用深孔爆破预裂的方法完成强制放顶。

2.2 顶板岩石力学参数测定

通过对丰峪煤业十三采区10 号煤层K2 灰岩顶板钻孔取芯，获得标准试件33 个，经单轴压缩实验、劈裂实验、三轴压缩实验，完成了对10 号煤层顶板岩石力学性质的测定。岩石力学具体参数见表2。

表2 10 号煤层顶板岩石力学参数

根据数值模拟，10 号煤工作面初次来压步距达60 m，根据公式1 判定P=1 098，该顶板属于Ⅳ1 级坚硬顶板，必须采取弱化措施，否则来压强度将严重威胁工作面生产安全。

2.3 爆破弱化方案

根据数值模拟结果，实施定向断裂爆破技术后，坚硬顶板的强度得以有效削弱，裂隙进一步发育，可极大减小破断步距。进一步，使用切缝药包定向断裂控制爆破，爆破效果明显增强，爆破孔破碎区域比普通药包爆破效果扩大2.5 倍，弱化效果显著。

1）切眼处的顶板弱化方案。为了有效减小初步来压步距，降低顶板初次破断带来的威胁，在切眼处布置2 排爆破孔，排间距15 m，孔间距10 m，钻孔直径94 mm，孔深约10~25 m，钻孔仰角30°~50°。切眼处顶板弱化爆破孔布置如图2 所示。A 组孔布置与切眼平行，B 组孔向煤壁侧偏45°布置。

图2 切眼处顶板弱化爆破孔布置图

2）超前预裂孔布置方案。为有效缩短来压垮落步距，工作面回采过程中，在工作面前方回风巷、轨道巷分别施钻，每隔20 m 向顶板打1 组钻孔，提前完成预裂爆破。钻孔参数见表3，2 巷爆破孔布置见图3。

表3 2 巷上方顶板爆破参数

图3 2 巷顶板弱化爆破孔布置图

2.4 爆破实施

1）打孔。为便于装药，钻头直径选定75 mm 钻头，全钻孔装药。

2）封孔。由于切缝药包爆破力度较大，现场封孔长度不得低于10 m，材料需使用颗粒较为细密的黄泥封孔，封泥时使用风压封孔器高标准完成封孔，用力捣实。

3）起爆。切眼的爆破分2 组进行，先A 组后B组，每3 孔1 组分组装药，串联爆破。2 巷爆破孔按组装药，分组爆破。

2.5 弱化效果

1）初次来压。根据数值模拟，以及相邻采区数据，未经弱化的坚硬顶板，初次来压步距约为60 m。经实施预裂爆破弱化后，105 综采工作面回采至25m时，顶板全部跨落，采空区充填良好。初次来压步距提前一半以上，弱化成效明显。此时，工作面液压支架最大支撑力显示为41.2 MPa，没超过预警值50 MPa，现场未见片帮、推架。

2）周期来压。经过连续监测，105 综采工作面周期来压步距约为18 m，周期性破断较为连续，顶板垮落及时，未出现顶板切顶、支架压死等现象，极大降低了安全隐患。

3 结束语

1）坚硬顶板，初次垮落的长度一般较大，会在经历长时间悬顶后，在高应力作用下发生破断，剧烈的破断会造成压架、人员伤亡等直接事故，甚至更严重者会引发矿井飓风、瓦斯突出甚至爆炸等间接灾害。

2）通过理论公式判定顶板坚硬程度，并作为顶板弱化级别依据的方法是可行的，判定结果是可信的。

3）经实施预裂爆破弱化后，105 综采工作面初次来压提前了近一半距离，深孔预裂爆破起到了预期作用，弱化了顶板、较小了来压步距，成效明显。