云南省地方煤矿设计研究院 云南昆明 650041
摘要：坚硬顶板综采工作面与普通工作面相比来压强烈，顶板垮落时容易形成风暴，严重威胁工作面的正常回采。针对某矿210108坚硬顶板实际情况，采用爆破弱化法对坚硬顶板进行弱化，在工作面顺槽内采用超前预裂爆破顶板可有效地降低210108工作面坚硬顶板强度，实践证明取得了较好效果。
关键词：坚硬顶板；爆破弱化；实践研究
引言
我国煤层赋存条件复杂，约一半以上矿区煤层顶板属坚硬顶板，尽管综采技术近些年得到快速发展，仍有近40%的坚硬顶板综采面来压强烈[1-2]。与普通顶板采场相比，坚硬顶板采场具有老顶自稳能力强，顶板抵抗破坏的极限强度大，老顶岩层破断后的岩块旋转或滑落下沉强烈，来压强度、步距大等特点。在坚硬顶板采场开采技术条件下，顶板易大面积悬顶，当突然垮落时，所形成得冲击波和风暴给工作面的正常回采带来极大的安全隐患。因此，对某矿210108坚硬顶板综采工作面采取有效措施处理，对确保工作面安全回采显得十分重要。目前，爆破弱化法和注水弱化法是处理综采工作面坚硬顶板的常用方法，现以某矿210108工作面为例，研究爆破弱化坚硬顶板技术。
一、工作面概况
某矿210108综采工作面是井田第二水平2101采区1煤层动用的第一个工作面。煤层倾角约5～12°，平均为8°，煤层厚度约0.24～7.98m，平均为1.91m，以中厚煤层为主。上距1上煤层为1.45～29.72m，平均间距为10.79m，结构单一，夹矸相对较少，下距太原组1号石灰岩约15～20m，煤层厚度、层位均稳定。1煤层顶板主要以石英砂岩，中、细砂岩和泥岩岩性为主，底板主要以泥岩岩性为主，部分为粉砂岩和砂质泥岩。
工作面水文地质类型为中等偏复杂，煤层顶板整体性、稳定性较好，距掘进过程中揭露的阜凤下夹片断层较近，受该断层影响，工作面内断层、褶曲及裂隙可能有所发育，对掘进和回采产生一定影响。工作面平均走向长度约1310m，平均倾斜长度为150m，巷道采用锚网支护或架棚联合支护。未采取措施处理顶板时，回采过程中顶板易发生大面积来压现象，不仅来压步距大，且矿山压力显现剧烈。
二、顶板弱化方式选择
鉴于某矿210108综采工作面顶板厚度约35~55m，为特厚坚硬砂岩，现场实践证明，顶板吸水性差，且即便注水后，强度变化也不大等情况，预采用人工预裂爆破技术对采场顶板进行超前弱化处理。考虑到沿回采顺槽分别钻平行于工作面的超前深孔实现人工爆破放顶具有对煤层的地质条件适应性强，技术较成熟，需要的专用设备少，对工作面正常回采影响不大，爆破弱化后易使完整性较好的难冒落顶板变为人工裂隙发育的易冒落顶板等优点。为减少顶板处理作业对生产的影响和采空区的悬顶面积，消除压力集聚，决定采用沿回风顺槽和运输顺槽分别钻平行于工作面的深孔对采场顶板进行超前人工爆破弱化处理。
三、爆破弱化顶板施工方案
3.1 爆破高度确定
根据国内外现场实践经验获悉，在矸石垫层厚度大于采高的情形下，不仅缓冲效果较好，更重要的是老顶来压时易于消除采空区所排暴风对采场支架的冲击，以保障支架正常安全工作。因此，为确保坚硬顶板采场老塘被人工爆破弱化后冒落下的破碎顶板更好的充填，有效爆破放顶深度应满足下式要求：
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式中：
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—采高，取3.5m；
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—岩石破碎后的体积膨胀系数，取1.3。
经计算=11.7m，鉴于岩性、地质因素等的影响，为取得更好的填充效果，有效顶板深度按30m进行。
3.2 炮眼布置与爆破
在工作面顺槽向着顶板方向用钻孔直径为Φ75mm的钻机打深孔，用三级煤矿许用水胶炸药制成直径为Φ63mm的深孔爆破药柱，每米装药量为3.3kg，采用煤矿许用电雷管起爆，在工作面前方相应位置进行人工超前预裂爆破。通过超前深孔预裂爆破处理坚硬顶板，实现人为地控制顶板冒落高度和跨落步距。
依据210108综采面的坚硬厚层砂岩顶板赋存情况，分别沿回风顺槽和运输顺槽分别钻平行于工作面的超前深孔爆破放顶，在各顺槽相应位置每隔30m布置一组，每组7个炮眼，编号分别计为1、2、3、4、5、6、7。
通过在回风顺槽和运输顺槽分别对坚硬厚层砂岩顶板进行超前深孔人工爆破强制放顶，既有效地缩小了坚硬难冒顶板的来压步距，还使得采空区与高抽巷道间存有爆破裂隙通道，有利于提高采空区瓦斯的抽采率。另外，爆破前的钻眼等工序可与其它工序平行作业，对工作面的生产影响较小。
四、效果评价
4.1 超前预爆破实施效果分析
超前预爆破实施的效果不仅取决于炮孔爆破所产生的裂隙起初的影响范围，另外，爆破所产生的裂隙在采空区上方的岩层弯曲区和顶板支承压力区等应力活性层中的扩展延伸程度和老顶岩层沿弱面的离层程度也能反映其效果，具体表现为较难冒落的采场坚硬砂岩顶板不仅能够实现随采随落，也能够较好的实现人为控制冒落时机。通过对某矿210108坚硬厚层砂岩顶板工作面实施超前深孔人工预裂爆破弱化技术后的观测分析，弱化后顶板冒落情况较好，实测初次来压步距和周期来压步距均小于未采用松动爆破时的来压步距，可有效避免了大面积来压时给工作面安全生产带来的危害，基本能够达到安全回采的要求。
4.2 社会效益分析
坚硬顶板采场经爆破弱化处理后有效防止了顶板大面积悬露，为矿井安全生产提供了保障，为相邻矿井类似条件下安全开采提供了科学依据。同时，有效地锻炼了采场坚硬顶板开采条件下的职工队伍，为安全开采积累了宝贵经验，取得了良好的社会经济效益。
结论
210108综采工作面坚硬砂岩顶板经过人工爆破弱化处理后，顶板强度明显降低，来压步距减小，保障了矿井的安全回采。
1）经超前松动爆破处理顶板后，老顶的初次跨落、周期跨落步距机头位置分别为41.67m、16.77m，工作面中部位置分别为46m、24.81m，机尾位置分别为36.33m、13.78m，平均分别为41.33m、19.08m。现场未经人工松动爆破时，老顶的周期跨落步距机头位置、工作面中部位置和机尾位置分别为27m、23m和24m，平均为24.6m。
2）210108工作面支架工作阻力在0～10的占0.67％，10～20的占25.67％，20～30的占71.9％，30～40的占1.76％，矿压观测期间，各支架基本处于安全工作范围内。
3）经超前深孔人工爆破弱化后，工作面液压支架的支护强度比较均匀，矿压现象不明显。顶板已垮落部分和未跨落部分液压支架支护阻力分别在13～14Mpa和25～26Mpa范围内，支架的前后柱阻力相差小于1Mpa。另外，回采工作面煤壁基本无片帮、冒顶现象，完整性较好。
4）工作面经超前深孔预裂爆破弱化处理后，顶板下沉量和下沉速度明显减小，上、下顺槽变形较缓，为工作面的安全、高效回采提供了保障。
参考文献
[1]刘洪太. 爆破弱化综采工作面坚硬顶板技术实践研究[J].江西煤炭科技，2013，4:120-121.
[2]沈孟飞. 坚硬厚层顶板弱化前后采场矿压显现规律研究[D].淮南：安徽理工大学，2014.
论文作者:沈孟飞
论文发表刊物:《基层建设》2016年12期
论文发表时间:2016/10/27
标签：顶板论文; 工作面论文; 坚硬论文; 煤层论文; 超前论文; 砂岩论文; 采空区论文; 《基层建设》2016年12期论文;