坚硬顶板特厚煤层综放工作面切顶卸压技术研究与应用

李睿峰

(马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037100)

大同矿区现主采煤层为石炭系太原组3～5号特厚煤层，主要开采方法为一次采全厚综采放顶煤采煤法，近年来为响应绿色开采号召，提高资源回收率，逐步开始推广小煤柱沿空掘巷技术[1-2]。因煤层顶板属于坚硬顶板，工作面初采期间矿压显现强烈，顶煤冒放性差；
临空侧小煤柱巷道虽处于采空区侧向应力降低区内，但同时也伴随着巷道围岩整体松软破碎，小煤柱整体完整性较差，承压能力弱，不利于巷道维护，为综放工作面安全管控带来一定隐患。为了给本工作面及相邻工作面回采创造有利的安全条件，通过借鉴同类矿井经验[3-5]，本文提出采用切顶卸压技术来解决工作面的强矿压显现问题。

同忻矿位于大同煤田东部，主采石炭系太原组3～5号特厚煤层，煤层平均煤厚12.54 m，煤层平均倾角1.5°.8210综放工作面为三巷布置，分别是进风巷2210、回风巷5210、高抽巷。8210综放工作面设计可采走向长度768 m，倾向长度235 m，该工作面为同忻矿第三个小煤柱工作面，其中5210巷为沿空小煤柱巷道，与相邻8305工作面采空区煤柱宽度5 m.工作面平均埋深519.9 m，顶板以泥岩及砂岩为主，其中上覆K3及K8属于坚硬顶板，距3～5号煤层底板距离分别为18.06 m、43.65 m.

2.1 初采切眼爆破放顶

致裂目标层位为K8砂岩，爆破终孔位置在K8砂岩14 m处，处于该层砂岩厚度的2/3处。由于钻孔长度和仰角过大将不易装药等施工工序，因此将炮孔垂高定为56 m，钻孔深度65 m，仰角60°.

在工作面切巷深孔布置三组爆破炮孔，其中A组为切顶孔共计26个，深度65m，仰角60°，水平方向上与切巷夹角30°；
B组为破碎孔共计23个，深度40 m，仰角30°，与切巷方向夹角10°；
C组爆破钻孔6个，深度60 m，仰角70°和80°.

在工作面两巷布置D组钻孔16个，深度60 m，仰角45°，5210巷自切巷10 m起开始布置9个，每个钻孔间距5 m；
2210巷自切巷10 m起开始布置，D10、D11、D13、D14、D15、D16钻孔垂直于2210巷，各组间距5 m，D12与2210巷夹角为75°；
5210巷布置E组钻孔9个，深度65 m，仰角60°，间距5 m；
2210巷布置F组钻孔7个，深度70 m，仰角30°；
F3与2210巷夹角分别为75°，其余均垂直于2210巷。2210巷靠煤柱侧1.5 m布置G组钻孔9个，深度60 m，仰角60°，间距2 m.爆破孔布置如图1所示。

图1 爆破孔设计平剖面图

2.2 5210巷爆破切顶卸压

5210巷爆破切顶孔设计孔深39 m，钻孔直径70 mm，距煤柱帮1 m，孔间距1.5 m，钻孔倾角α=80°，钻孔倾角β=70°，如图2所示。爆破切顶选用三级煤矿许用乳化炸药，炮孔内分为装药段和封孔段，装药段采用聚能管装药，炸药间隔安装，每6卷炸药采用水炮泥分隔；
封孔段采用注浆封孔，孔内并联、孔间串联连接。炸药引爆采用“矿用电雷管+矿用导爆索”引爆，导爆索沿聚能管布置，布置在聚能管内，在聚能管最下部采用两发雷管引爆，一起爆破的炮眼雷管段别相同。

图2 5210巷爆破切顶钻孔布置示意

2.3 2210巷水力致裂

2210巷超长孔定向水力压裂施工涉及整条巷道，为下一工作面沿空小煤柱巷道掘进、维护提供保障，压裂目标层位对应顶板情况如表1所示。钻场设计如图3所示。

表1 钻场对应压裂层位

图3 钻场设计

初采前，工作面切眼爆破放顶孔已全部施工并爆破完毕，5210巷爆破切顶孔已全部施工完毕并完成爆破80 m，2210巷超长孔定向水力压裂已全部施工并致裂完毕。回采期间，5210巷深孔预裂爆破应在采动范围外进行，现场超前工作面40 m爆破。通过将8210工作面与相邻已回采的8305工作面进行对比，分析本次矿压治理效果。

3.1 初采爆破放顶效果说明

8305工作面初次来压矿压显现强烈，工作面安全隐患大，安全管控难度高，不利于工作面安全高效回采。8210工作面初采爆破放顶后，工作面矿压显现平缓，日常生产工作及设备均不受影响，工作面无安全隐患，8210及8305工作面初采期间矿压特征对比如表2所示。

表2 初次来压显现对比

3.2 5210巷爆破切顶卸压效果说明

8210工作面为同忻矿开采的第3个小煤柱工作面，通过比较围岩控制率来比较切顶卸压效果效果，围岩控制率为巷道变形后断面与原设计断面之比，5210巷原设计断面为5.2 m×3.8 m，5210巷回采过程中平均巷道断面4 m×3 m，围岩控制率为60%，相临8305工作面5305小煤柱巷回采期间平均巷道断面2.5 m×1.8 m，围岩控制率在23%.5210巷采用爆破切顶卸压后巷道变形得到极大控制，围岩控制率提高了37%.

3.3 2210巷水力致裂效果说明

2210巷水力致裂起裂压力分布在20～31 MPa，保压压力在16～23 MPa；
压裂期间切眼和巷道有明显的渗水漏水现象，可以判断出压裂半径在10 m以上，现经过2个钻场12个孔的超长孔定向水力压裂，2210巷端头悬板随采随落，有效消除了2210巷悬板隐患，同时为下一个工作面小煤柱巷道提供了良好的应力环境。

4.1 成 本

1) 初采爆破放顶成本。切眼初采爆破放顶成本包含钻孔费170.8万元、爆破材料费15.3万元、人工费5.2万元，总计成本191.3万元。

2) 5210巷爆破切顶卸压成本。5210巷爆破切顶卸压成本包含钻孔费594.4万元、注浆设备费14.3万元、爆破材料费165.3万元、人工费25.6万元，总计成本799.6万元，每米成本1.04万元。

3) 2210巷水力致裂成本。2210巷水力致裂成本包含钻孔费962.6万元、致裂费567万元、人工费138.2万元，总计成本1 667.7万元，每米成本2.1万元。

4.2 经济效益

1) 煤炭回收经济效益。8210工作面较8305工作面相比可放煤距离提前7 m，整个初采阶段顶煤回收率提升25.6%，工作面初采期间较8305工作面多回收精煤11.6万t，共创造经济效益8 120万元。

2) 矿压治理经济效益。传统小煤柱巷回采期间补强支护多、单体木垛回收率低，巷道维护成本高，5210巷采取爆破切顶后回采期间无需采取其他巷道维护措施，对比5305小煤柱巷维护成本节约176万。

1) 8210工作面切眼爆破放顶后，初采可放煤距离大大缩短，顶煤完全垮落步距由19 m减少至12 m；
顶煤冒放性增强，回收率提高了25.6%；
工作面初次来压步距及来压强度得到有效缩短弱化，端头悬板垮落步距大大减少，初次来压期间矿压显现平缓，来压期间支架行程全部满足要求。

2) 5210巷采用爆破切顶卸压后巷道变形得到极大控制，围岩控制率提高了37%.

3) 2210巷采用水力致裂后，端头悬板随采随落，有效消除了端头悬板超标隐患，同时为下一个工作面小煤柱巷道提供了良好的应力环境。

4) 8210工作面较以往小煤柱工作面，初采可增加精煤回收11.6万t，创收8 120万元，节约巷道维护费用176万元。