8.8 m超大采高綜采工作面初次強制放頂技術(shù)*

翟春寶，呂英華

(1.神東煤炭集團上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.神東煤炭集團地測公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

我國煤礦災(zāi)害類型多，頂板事故嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)。煤礦在開采過程中，當(dāng)采空區(qū)存在大面積懸頂時容易發(fā)生頂板突然垮落，煤巖體中能量短時釋放產(chǎn)生的動力將煤巖拋向自由空間，一方面其生成的強烈動載荷推倒支架，嚴重破壞巷道內(nèi)設(shè)備與巷道結(jié)構(gòu)，另一方面采空區(qū)積聚高濃度瓦斯氣體隨沖擊波涌出，可能引起瓦斯突出、爆炸等一系列事故，對井下人員及設(shè)備造成嚴重危害[1-2]。隨著我國煤礦開采深度的增加，開采地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，厚硬頂板和高瓦斯礦井出現(xiàn)的頻率也會加大，沖擊礦壓發(fā)生的次數(shù)會變多，煤層突出危險性越來越嚴重[3-6]。據(jù)統(tǒng)計，我國存在堅硬頂板的煤礦數(shù)量占總礦井?dāng)?shù)量一半以上，有堅硬頂板的煤層占總開采煤層30%左右[7-8]。因此，為防止厚硬頂板大面積懸頂突然斷裂可能發(fā)生的風(fēng)暴及頂板垮落壓架埋人事故，有必要對堅硬頂板進行弱化處理。

1 頂板控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及礦井與采面概況

1.1 頂板控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

頂板管理是采煤回采工藝中一項非常重要的工序，它不僅關(guān)系到采煤工作面的安全，也關(guān)系到礦井生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。厚硬頂板控制技術(shù)起源于上世紀中期，經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，取得了豐富的經(jīng)驗[9]。在頂板處理方面，主要有3種處理頂板方法：一是頂板高壓預(yù)注水弱化法；二是深孔爆破法強制放頂；三是超前深孔預(yù)裂爆破。其中超前深孔預(yù)裂爆破就是向工作面上覆巖層中施工數(shù)個有固定間隔的鉆孔，然后在鉆孔中裝填一定量的炸藥進行控制爆破，使被爆破效應(yīng)破壞的頂板產(chǎn)生裂紋，整體性減弱，從而使堅硬頂板在回采后及時垮落[10-11]。

神東礦區(qū)礦井采煤工作面生產(chǎn)前，均采取超前深孔預(yù)裂爆破的強制放頂措施來保證該采煤工作面的生產(chǎn)安全。

1.2 礦井及采面概況

上灣煤礦是一座現(xiàn)代化、信息化、自動化礦井，井田位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市境內(nèi)。礦井采用綜合機械化開采，配備大功率采煤機和高阻力液壓支架，連續(xù)采煤機掘進。上灣煤礦12401綜采面是12煤四盤區(qū)首采面，東側(cè)為12402綜采面；南側(cè)為井田邊界，與烏蘭集團溫家塔井田相鄰；西側(cè)為12412綜采面，尚未開始掘進；北側(cè)為井田邊界，與補連塔井田相鄰。綜采面沿傾向布置，走向長度299.2 m，推進長度5 254.8 m，采高8.8 m，該綜采面地面標高為1 188～1 300 m，煤層底板標高1 043～1 066 m。

12401綜采面?zhèn)雾敒槟鄮r，抗壓強度約11.3～13.2 MPa，普氏系數(shù)約1.32，堅固性較低，屬不堅硬類不穩(wěn)定型；直接頂為灰白色細粒砂巖，厚度2.1～8.07 m，抗壓強度約13.3～15.2 MPa，普氏系數(shù)約1.35，堅固性較強，屬堅硬類不穩(wěn)定型；老頂為灰白色粉砂巖，厚度5.68～20.34 m，抗壓強度約14.5～36.6 MPa，普氏系數(shù)約2.32；直接底為黑灰色泥巖，抗壓強度約14.5～36.6 MPa，普氏系數(shù)約2.32，具體見表1。

12401綜采面可采面積572 236.16 m2，可采出煤量1 754.6萬t。煤厚7.56～10.79 m，平均9.16 m。工作面采用傾斜長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤法開采，全部垮落法管理頂板，平均采高為8.8 m，結(jié)合地質(zhì)條件和以往開采經(jīng)驗，初采前在工作面切眼范圍采取超前深孔預(yù)裂爆破的強制放頂措施處理頂板。

表1 煤層頂、底板特征

2 綜采面強制放頂技術(shù)

12401綜采面采高達到8.8 m，是神東礦區(qū)首個特大采高工作面，為保證工作面初次放頂安全，采用超前深孔預(yù)裂爆破強制放頂技術(shù)，即在初采割6刀煤后，進行強制放頂，強制放頂包括地面裝藥、運輸、裝藥、爆破等4個主要環(huán)節(jié)。

2.1 地面裝藥

地面裝藥包括以下7個工序：①爆破炸藥采用水膠炸藥，炸藥包由炸藥段和炮泥段組成，炮泥段又分為管炮泥和散炮泥，炸藥段長度根據(jù)炮孔深度和裝藥系數(shù)確定，裝藥系數(shù)為0.7，炮泥裝填系數(shù)為0.3，散炮泥段長度不得小于2 m，炮泥采用黃泥制作且必須充滿填實；②沿直徑方向?qū)ⅵ?5 mm PVC管一側(cè)剖開，將藥包和導(dǎo)爆索等放入，再用膠帶紙綁扎牢固，PVC管間用接頭連接，每4 m PVC管裝10卷φ70 mm×400 mm的藥卷；③利用4 m長PVC管作為炸藥載體(炸藥段長度若為奇數(shù)，則需1根1 m的和若干2 m的組成)，然后在每根管子的一頭套上管接頭并固定牢靠；④將導(dǎo)爆索穿于PVC管內(nèi)，位于炮眼底部的PVC管與導(dǎo)爆索必須用鐵線綁扎固定；⑤將已穿好導(dǎo)爆索的每組管子折疊起來，并捆綁固定，將同一頭的管子口用封口紙卷堵塞，封口紙卷可用裝的紙箱裁剪成長方形紙條卷成；⑥將每組管子豎立放置，封閉的一頭向下，然后將一定數(shù)量的炸藥從上口裝入管中，裝完為止，再用與上述相同的方法封堵管子上口；⑦炮泥的制作也采用4 m長的PVC管，將黃泥填入管中并搗實(若為奇數(shù)，則需要用1 m的和2 m的組成)。

2.2 鉆孔裝藥、爆破

鉆孔裝藥、爆破包括以下10個工序：①炮眼布置在距離切眼中心線1.5 m處靠近副幫側(cè)，間距為8 000 mm，呈“一”字形共布置39個炮眼。炮眼采用MYZ-150型全液壓濕式坑道鉆機施工，成孔直徑φ=90 mm，如圖1所示；②將已裝好的成捆藥包運到井下，裝藥前必須清凈炮眼；③裝藥時，由于工作面高度大，利用2臺平臺車及1臺防爆車作為裝藥平臺，首先使用4.5 m平臺車作為頂部的平臺，將第2臺升降車升到位后作為中部平臺，人員站在2個移動平臺上作業(yè)，如圖2所示；④雷管采用煤礦許用毫秒延期電雷管，串聯(lián)聯(lián)線，導(dǎo)爆索起爆；⑤炮眼采用簡化的間隔方式裝藥，即連續(xù)耦合裝藥；⑥裝藥用φ70 mm×2 500 mm的木制炮棍將預(yù)制在PVC管內(nèi)的藥卷、炮泥和導(dǎo)爆索緩慢裝入炮眼內(nèi)，根據(jù)炮孔眼長度確定導(dǎo)爆索長度，導(dǎo)爆索只能用快刀切割，嚴禁沖擊擠壓；⑦依次將每根藥管推入炮孔內(nèi)，藥包要推至孔底，裝緊裝實，然后用散炮泥、管炮泥、撐口楔將孔口封堵，最后將孔口用大木楔封堵牢靠；⑧放炮母線必須采用符合標準的2.5 mm2雙股銅芯線；⑨放炮采用一次聯(lián)線，分3段順序起爆，由于炮眼內(nèi)藥量較大，故要求警戒距離和放炮距離不小于500 m；⑩起爆順序依次為1#～13#炮眼，14#～26#炮眼，27#～39#炮眼。

具體爆破參數(shù)見表2。

圖1 12401切眼炮眼布置剖面圖

圖2 升降車示意圖

3 綜采面強制放頂安全措施

3.1 地面裝藥與運輸安全措施

地面裝藥：①裝藥地點需為平整、空曠的場地，周圍50 m內(nèi)不得有居民區(qū)、廠區(qū)及其它公共設(shè)施，30 m范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置警戒，禁止無關(guān)人員進入；②裝藥場地嚴禁攜帶煙草及點火物品進入，裝藥時所有的施工單位必須停止作業(yè)，切斷所有的電源并撤離至警戒以外的地方；③裝藥期間裝藥人員要對炸藥、導(dǎo)爆索輕拿輕放，嚴禁碰撞炸藥及導(dǎo)爆索，炸藥和導(dǎo)爆索要分開放置；④裝好的炸藥要按照炮眼順序排列，并擺順放在平整的地方，不得有扭曲現(xiàn)象，裝車時也按照此順序裝車運輸；⑤剩余的炸藥和導(dǎo)爆索要清點好數(shù)目，及時交回炸藥庫。

運輸：①明確運輸路線，運送過程必須避開人員集中上、下井的時間，不得在路途中停留，井下其他車輛遇到炸藥車時必須提前避讓；②炸藥、雷管及導(dǎo)爆索運送必須分開單獨運輸，嚴禁混裝混運，雷管須放置在專用箱內(nèi)。礦井設(shè)置安監(jiān)員全程監(jiān)督檢查車輛裝、卸運輸作業(yè)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時處理并報告；③運送火工品車輛要完好無損，行駛速度不得超過15 km/h，在行進過程中如果遇到拐彎、有坑凹的地段必須減速慢行。車輛進入指定地點以后，要停車斷電。

表2 12401切眼強制放頂爆破技術(shù)參數(shù)表

3.2 炮眼裝藥與爆破安全措施

炮眼裝藥：①嚴格按照設(shè)計施工炮眼，必須采取濕式打眼方法施工炮眼；②相關(guān)人員在進入工作面裝藥前，必須由現(xiàn)場指揮人員對切眼頂幫進行檢查，只有對工作面切眼頂幫檢查確認安全后方可進行裝藥；③礦井安排專人負責(zé)井上、下監(jiān)測設(shè)備的檢查，發(fā)現(xiàn)問題立即處理，確保強放期間監(jiān)測系統(tǒng)正常運作，并準備足夠的經(jīng)調(diào)校合格的便攜瓦檢儀、一氧化碳檢測儀、氧氣檢測儀，確保強放期間儀器使用；④參加強放的所有人員都必須佩帶便攜式甲烷檢測儀、一氧化碳檢測儀、氧氣檢測儀、隔絕式自救器，并且在強放期間必須保持通訊設(shè)施完好暢通；⑤裝藥前綜采面及兩順槽所有設(shè)備必須停電閉鎖；⑥裝藥前要保證工作面所有支架必須處于完好工作狀態(tài)，各種閥組、水膠液管接頭等必須完好，支架拉成一條直線，并要接頂良好，支架必須要垂直于頂?shù)装?，初撐力要求達到額定工作阻力的80%以上；⑦登高作業(yè)時必須先檢查操作平臺的穩(wěn)固性，確認操作平臺的安全穩(wěn)定性后方可使用，作業(yè)時應(yīng)注意隨時清理落在架面上的材料，保持架面的規(guī)整清潔，不要亂堆材料、工具，以免影響安全作業(yè)或發(fā)生掉物傷人。在登高平臺上作業(yè)時，必須根據(jù)自己的位置合理系好安全帶。禁止在操作平臺上做無關(guān)工作；⑧裝藥時，人員配合要一致，動作要統(tǒng)一，并有專人指揮；⑨裝藥過程中作業(yè)人員要動態(tài)觀察頂板情況，發(fā)現(xiàn)異常立即停止作業(yè)，撤出人員。

爆破：①放炮前綜采面及兩順槽所有設(shè)備必須停電閉鎖；②放炮前必須對工作面、回風(fēng)順槽及放炮地點的瓦斯和煤塵濃度進行檢測，不符合要求嚴禁放炮；③放炮前必須對工作面和回風(fēng)順槽及回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的煤塵進行徹底清洗；④放炮前，對可能影響到的設(shè)備及電纜必須加以可靠的保護，在距放炮點500 m以外可能進入放炮地點的所有通道上設(shè)置警戒；⑤放炮前工作面回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的所有人員必須撤出，工作面所有人員必須在距放炮地點500 m安全距離以外的12401工作面輔運順槽64聯(lián)處，放炮員必須最后離開放炮地點；⑥準備強放開始前總指揮長必須向礦調(diào)度匯報，由礦調(diào)度確認警戒人員全部到位后匯報總指揮長；⑦放炮工作必須由持有放炮證的人員擔(dān)任。放炮器的鑰匙必須由放炮員隨身攜帶，不得轉(zhuǎn)交別人。不到放炮通電時，不得將鑰匙插入放炮器，放炮后必須將鑰匙拔出，摘掉母線并扭結(jié)成短路；⑧放炮前，放炮母線連接腳線、檢查線路和通電工作，只準放炮員一人操作，聯(lián)線時放炮員要由里向外進行，連接前一段母線前要將前一段雷管線短接，依次類推，將連接線頭用絕緣膠帶包扎牢固，放炮前班長必須在指定的安全地點接到總指揮長的放炮命令，確認無誤后，方準下達放炮命令，放炮員接到放炮命令后，必須先發(fā)出3次放炮警號(喊話或吹哨子)，再等5 s后，方可放炮；⑨通電以后裝藥炮眼發(fā)生拒爆時，放炮員必須先取下鑰匙，并將放炮母線從電源上摘下，扭結(jié)成短路，再等15 min，才可沿線路檢查，找出拒爆的原因；⑩放炮過程中，應(yīng)增加12401綜采工作面風(fēng)量，以加快炮煙排放速度。放炮完畢后，炮煙沒有排完前，嚴禁人員進入工作面及其回風(fēng)流中；強放完畢后，應(yīng)安排專人檢查強放受波及區(qū)域的通風(fēng)設(shè)施，對損壞的設(shè)施及時修理；測風(fēng)員對四盤區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量進行測量，合理分配各工作面風(fēng)量，確保各工作面風(fēng)量滿足生產(chǎn)需求，確保通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；整個放炮工作結(jié)束后，工作面和回風(fēng)順槽及整個回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)，有害氣體和粉塵濃度經(jīng)檢測符合《煤礦安全規(guī)程》要求且通風(fēng)設(shè)施均完好時，人員方可進入工作地點進行正常作業(yè)；放炮時，提前由礦調(diào)度通知炮煙經(jīng)過區(qū)域施工作業(yè)單位停止作業(yè)，放炮完畢確認可以進行作業(yè)后，再由調(diào)度室通知相關(guān)單位恢復(fù)作業(yè)。

4 結(jié)論

(1)采煤工作面初次放頂技術(shù)管理是煤礦加強頂板管理、減少頂板事故、保證安全生產(chǎn)的一項重要內(nèi)容。

(2)開切眼初次強制放頂安全措施保證了上灣煤礦強制放頂工作的安全開展。

(3)利用升降車和防爆車組合為一個移動平臺進行裝藥作業(yè)，解決了大采高裝藥難、勞動強度大的諸多問題，確保了安全高效的裝藥作業(yè)。

(4)開切眼初次強制放頂技術(shù)在神東上灣煤礦8.8 m大采高綜采工作面頂板管控工作中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，確保了超大采高綜采工作面的安全生產(chǎn)。