坚硬顶板弱化后矿压显现规律探讨

张江波

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 沁水 048214）

我国煤炭资源储量丰富，但赋存较为复杂，由于煤层赋存条件的不同，使得煤层顶板呈现不同的岩性。 坚硬顶板是指煤层顶板由砂岩、页岩等质地坚硬岩层组成，在开采过程中由于岩性较为坚硬，采空区顶板难以垮落，易形成大面积的悬顶，一旦悬顶发生垮落，将会导致工作面支护严重破坏[1-2]。对于留煤柱开采的矿井，坚硬顶板会造成相邻工作面间煤柱尺寸大幅度增加，降低采区回采率；而对于无煤柱开采的矿井，由于坚硬顶板的存在使得工作面预留巷道的变形增大，造成支护成本增高。 所以，对坚硬顶板进行治理是矿井开采的重要研究课题[3]之一。有众多学者对坚硬顶板治理作出过研究，谢海博等人[4]为了解决坚硬顶板难垮难落的问题，利用数值模拟软件对不同应力差、钻孔直径和预制裂缝角下岩石的起裂特征进行研究，给出了不同施工参数下的岩石起裂特征，为矿井安全生产作出一定的贡献。 目前我国研究顶板弱化较多是针对顶板弱化参数进行研究，较少研究治理后的矿压显现情况，所以本文以玉溪煤矿1301 工作面为研究对象，通过现场实践对坚硬顶板弱化工艺及弱化后的矿压规律进行研究，为矿井安全开采提供一定的借鉴。

1 背景介绍及弱化施工

1.1 背景介绍

玉溪煤矿为年产2.4 Mt 的新建矿井及配套选煤厂项目，位于沁水县胡底乡玉溪村，井田面积26.147 km2，批准开采3#煤层，地质储量216 Mt，可采储量135 Mt。 煤层厚度5.8～6.2 m，平均厚度6.1 m。 煤层底板约1 m 位置发育0～0.5 m厚夹矸一层，煤层顶板以下约1 m 位置发育0.1～0.5 m 厚软煤。 开采煤层为近水平煤层，煤层倾角为0°～10°，平均倾角为3°。 顶底板岩性如表1 所示。

表1 顶板岩性

1.2 顶板弱化施工

玉溪煤矿1301 工作面采用深孔爆破方式进行顶板弱化，在切眼支架位置向上钻两排钻孔，钻孔深度25 m，钻孔直径75 mm，钻孔间排距1 000 mm×1 000 mm；A 组爆破眼与切眼进行平行布置，B 组布设在煤壁侧夹角为45°的位置。弱化的炸药选定为乳化炸药，采用全孔装药且密封长度不小于钻孔深度的2/5，对A、B 两组钻孔进行依次起爆，切眼处顶板钻孔布置，如图1 所示。

图1 切眼处顶板钻孔布置

顶板岩层弱化具体施工步骤按照如下顺序：①进行顶板钻孔；②装入乳化炸药；③进行钻孔封闭；④对爆破孔进行连线；⑤按照爆破顺序起爆。同时在每组爆孔处留设备用炮孔，避免由于钻孔塌陷出现无法装药的现象。

2 矿压监测

完成顶板弱化后，对弱化效果进行分析。 首先对观测点进行布设，在综采工作面的液压支架前柱上布置一台压力传感器，布设液压支架台数为10，液压支架编号分别为10#、20#...100#，压力传感器将采集到的液压支架压力数据通过通讯网络传输至地面调度室，从而进行统计分析。 顶板弱化的监测指标主要为岩层裂缝扩展及顶板的来压情况。 经过顶板弱化后首先利用YTJ20 窥探仪对顶板裂隙扩展情况进行观察，可以看出在弱化前顶板周边岩层整体较为平整，岩层内部未发现明显的裂缝；而当经过顶板弱化后，此时的岩层出现贯通裂缝，岩层的整体性被破坏，此时岩层整体强度降低，表明坚硬顶板弱化技术能够有效地降低工作面顶板的强度，从而达到使坚硬顶板随采随落的目的，有效保障了工作面的安全，弱化前后岩层内部裂隙扩展情况，如图2 所示。

图2 坚硬顶板弱化前后窥探

根据监测数据可以得出，工作面初次来压范围存在一定的差异，中部岩层的顶板初次来压步距大于两端岩层；当工作面推进至18 m 时，此时工作面液压支架的工作阻力出现明显上升，此时坚硬岩层内部出现断裂，工作面10 台液压支架工作阻力瞬间增大；而当工作面推进至22 m 的位置时，此时岩层内部的断裂现象减小，液压支架的工作阻力开采持续稳定，此时可以认为工作面初次来压完成。 由此可知，经过弱化后顶板的初次来压步距约为18 m，当工作面推进至18 m 时，此时的支架动载系数均值约为1.74，初次来压时工作面会出现微小的片帮，但整体完整性较好，同时来压步距较未弱化前的32 m 有了大幅度地降低，工作面支架动载系数整体属于合理范围，软化较为成功。 工作面推进至18 m 时支架动载系数如图3 所示。

图3 工作面推进至18 m 时支架动载系数

对工作面老顶周期来压进行检测，通过检测数据，对3 次工作面覆岩周期来压得平均动载系数及周期来压的影响范围进行研究，周期来压动载系数及影响范围如图4 所示。

图4 周期来压动载系数及影响范围曲线

从图4 可以看出，工作面上部覆岩坚硬顶板的平均周期来压步距约为10.9 m，而中部坚硬顶板的平均周期来压步距约为13.2 m，下部坚硬顶板的平均周期来压步距约为12.3 m，整体周期来压步距呈现先增大后减小的趋势，在覆岩中部顶板位置周期来压步距最大。 同时在工作面上部、中部、 下部的立柱平均动载系数依次为1.69、1.74、1.71，动压系数呈现出中部最大，下部次之，上部最小的趋势。 可以看出经过弱化后坚硬顶板的周期来压步距缩短较为明显，且动载系数整体处于合理范围，顶板弱化效果较佳。

3 结论

1）对玉溪煤矿1301 工作面采用深孔爆破方式进行顶板弱化的施工工艺进行分析，给出了具体的施工顺序及施工参数。

2）利用YTJ20 窥探仪对顶板裂隙扩展情况进行观察，发现经过顶板弱化后，岩层出现贯通裂缝，整体性被破坏，达到顶板弱化目的。

3）经过对顶板弱化后初次来压步距进行分析，发现初次来压步距从原有的32 m 降低至18 m，且动载系数整体处于合理范围。

4）经过弱化后坚硬顶板的周期来压步距缩短较为明显，工作面顶板中部动载系数最大，顶板弱化效果较佳。