高瓦斯矿井综采工作面坚硬顶板悬顶控制技术及应用

高瓦斯矿井综采工作面坚硬顶板悬顶控制技术及应用

佟德凯

（山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿，山西 太原 030024）

摘要：针对高瓦斯矿井坚硬顶板条件下采煤工作面两端头悬顶难以垮落的难题，以官地矿18502工作面为例，提出“深孔爆破+浅孔密切”组合控制技术，在顶板岩层中形成连贯裂隙，改变坚硬顶板岩层力学结构，并对直接顶进行弱化。通过该技术应用，18502工作面回采期间两端头悬顶距离得到有效控制，同时提升圆班回采效率20%。

关键词：高瓦斯矿井；采煤工作面；坚硬顶板；悬顶距离；控制技术

矿井中坚硬难垮落顶板占比超半数以上，特别是高瓦斯矿井、深部高地应力矿井，由于顶板存在厚层状砂岩、灰岩，其地质构造简单，节理裂隙不发育，岩层整体性和稳定性较好，工作面回采后顶板难以及时垮落，常在采空区及上下隅角处形成大面积悬顶，容易造成工作面隅角瓦斯集聚和超前压力显现剧烈甚至冲击地压等安全隐患。

山焦西山官地矿针对18502工作面坚硬顶板大面积悬顶，自主研发了“深孔爆破+浅孔密切”预裂坚硬顶板技术，有效解决了坚硬难垮落顶板回采工作面超前悬顶问题，实现回采过程中顶板及时垮落，释放积存的顶板能量，同时提升圆班回采效率20%,为类似地质条件下顶板灾害的治理提供了借鉴经验。

1  工程背景

官地矿隶属山西焦煤集团有限责任公司，为高瓦斯矿井，该矿井南五采区首采面18502工作面直接顶由3.01米厚的石灰岩与2.73米厚的泥岩组成，基本顶为8.22米的石灰岩。

在工作面回采期间，通过矿压观测发现该工作面顶板整体表现出较坚硬、不易自然垮落的特性，且两巷掘进期间均采用锚杆索网支护，锚索按“一二一”方式布置，支护强度较大，同时由于该工作面两端头超前支护均采用超前支架方式，超前支架在拉移过程中对顶锚索破坏性较大，导致顶锚索回收率低，种种原因造成工作面回采过程中两端头悬顶距离经常出现超限现象，给顶板、通风管理带来不利影响[1]，急需进行解决。

2  坚硬顶板悬顶控制思路

为解决此问题，提出高瓦斯矿井综采工作面“深孔爆破+浅孔密切”组合治理措施，即首先沿综采工作面两巷非采煤帮打设深孔，通过爆破在基本顶中形成连贯裂隙，有效弱化坚硬顶板岩层力学性能，同时将端头顶板力学结构由“悬臂梁”模型调整为“简支梁”模型[2-3]；其次在端头架至非采煤帮侧间打设浅部密切孔，孔深控制在5米以内，孔间距控制在0.3米以内，无需采取爆破手段，通过各钻孔形成的破碎圈相贯通，对直接顶进行弱化，从而达到坚硬悬顶距离有效控制。

该技术的核心是通过对顶板岩层岩性、完整性的测试，确定顶板需要压裂的关键岩层，通过深孔爆破及浅孔钻孔破碎圈方式，在顶板岩层中形成连贯裂隙，一方面通过深孔爆破破坏坚硬基本顶整体性，改变坚硬顶板支撑点的约束条件，另一方面通过浅孔密切技术对端头处直接顶进行弱化。

3  深孔爆破施工方案

3.1  深孔爆破炮孔布置参数

3.1.1 顶板处理高度的确定

工作面回采期间，在两巷超前段采用深孔爆破顶板预裂方式，在基本顶中形成裂隙，切断力学传递路径，有效破坏坚硬顶板整体性。根据坚硬顶板的赋存条件，设计炮孔穿透直接顶、老顶到7#煤上部泥岩顶段，确定致裂高度为15m。

3.1.2两巷切顶爆破方案

炮孔沿工作面正巷从转载机外进行打眼，炮孔打设在距保险帮0.5米（保护电缆线），炮孔方向与顶底板垂直线夹角为30度，偏向保险帮5度，炮孔斜长深度为28米，孔径为Φ75mm，炮眼间距5米，每条巷道需布置130个炮孔，共布置260个孔。

装药量：采用Ф50mm爆破筒，每米装药量约1.4公斤，1个炮孔共计约16.8公斤炸药。

封孔要求：炮孔封孔长度不低于10米，采用专用炮泥袋封孔；每个孔内雷管2发。

3.2深孔爆破工艺

3.2.1钻孔

工作面两巷深孔爆破的炮孔施工采用液压钻机，根据炮孔设计参数要求，孔径定为75mm。

因钻孔深度较长，为了达到预期效果，孔角度充许偏离的最大角度为±1°。

3.2.2装药

放炮采用正向爆破方式，为了保证放炮效果，需配合使用爆破筒填装进行装药，爆破筒外径50mm，先将炸药装入爆破筒内，再将爆破筒装入钻孔中。

3.2.3 封泥

封孔采用专用深孔封泥袋进行封孔，封孔长度为10米，封泥可使用黄土进行封填。

3.2.4 爆破

本次爆破使用“工业数码电子雷管”，为避免装填药卷时炮棍碰伤电子雷管的脚线和卡口，电子雷管由药卷的顶部装入，必须全部插入药卷内，卡口处要深入药卷1cm以上，严禁脚线缠绕药卷，利用专用起爆器进行起爆。

4  浅孔密切施工方案

4.1  钻孔相关参数

沿两端头端头支架切顶线布置两排浅眼密切钻孔，钻孔采用锚杆机施工，钻孔直径为42mm，钻孔深度为5.0m，垂直顶板施工。

4.2钻孔位置及数量

由两巷端头架片帮处向推进方向打设两排卸压孔，钻孔范围为采煤帮至端头架外侧护板，钻孔间距为0.3m，排距为0.5m。

4.3  作业时间

由每天检修班负责进行作业。

5 

施工效果

18502工作面通过顶板预裂后，在工作面回采过程中，两端头悬顶距离始终控制在作业规程要求的范围内，且采取的措施提高了圆班割煤效率，为坚硬顶板悬顶治理和通风系统的安全可控提供了重要保障。

6  结论

（1）减小回采工作面隅角悬顶面积和超前采动应力影响

该技术通过深孔爆破弱化坚硬老顶的整体性，通过浅孔密切技术对端头处直接顶进行弱化，切断了工作面煤柱上方和采空区边缘上方的悬臂结构，有效减小了回采工作面隅角悬顶面积和超前采动应力影响。

（2）提高工作面回采效率

该技术在作业时间和空间上互不冲突，不会对工作面回采造成影响，具有很强的现场操作性，有效提高了工作面回采效率。

（3）具有广泛的适用性

该技术有效规避了高瓦斯矿井两端头不能采取爆破强制放顶的制约，为高瓦斯矿井采煤工作面悬顶控制提供了经验借鉴。

参考文献：

[1]王平,高林君,周博,李嘉康.坚硬顶板综采工作面端头三角区悬顶治理研究[J].陕西煤炭,2021,40(06):27-30+83.

[2]高旭.坚硬顶板综采面端头悬顶处理技术应用[J].江西煤炭科技,2020(04):100-102.

[3]王开,康天合,李海涛,韩文梅.坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(11):2320-2327.