综采工作面巨厚坚硬顶板放顶管理的研究和应用
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【摘要】强制放顶是针对不易自然垮落的大面积裸露顶板进行的人工强制垮落，是预防顶板冒落事故，保证矿井安全生产的重要保障措施。本文结合郭二庄矿综采工作面巨厚坚硬顶板放顶管理实践，对强制放顶技术及其应用进行了探讨。
【关键词】综采工作面 巨厚坚硬顶板 强制放顶 研究应用
强制放顶是针对不易自然垮落的大面积裸露顶板进行的人工强制垮落，是预防顶板冒落事故，保证矿井安全生产的重要保障措施。巨厚坚硬顶板具有较强的稳定性，在正常开采条件下很难自然垮落并成为悬顶。随着开采的延伸和悬顶的面积的增加，采空区支架和煤壁也会逐渐地开始不堪重负，当顶板压力超过支架和煤壁支撑力时，大面积的悬顶就会突然垮落对井下人员、设备造成巨大损失;有时还会破坏工作面的密封结构和设施，导致采空区瓦斯外泄，引发瓦斯爆炸等事故灾害。因此，为了保证安全生产，有必要采取强制放顶措施以消除采空区大面积悬顶的威胁。本文结合郭二庄矿综采工作面巨厚坚硬顶板放顶管理实践，对强制放顶技术及其应用进行了探讨。
一、工作面概况及顶板岩性分析
邯矿集团郭二庄矿二坑下组煤目前主要开采9#煤，开采水平标高-100m。全矿井共划分4个采区，四采区为二采区的接替采区。四采区位于郭二庄井田东部，采区南北走向长330～1700m，东西倾向长690～2300m。采区北至郭二庄井田北部边界，南至午汲铁路，东至-300m煤层底板等高线，西至-100m煤层底板等高线及南沟村保护煤柱线，面积约3.59Km2。设计开采煤层为9#煤，赋存于太原组底部，煤层储量丰富，平均厚度3.3m，地质资源储量2060万吨，设计可采储量1328.4万吨，服务年限14.8年。9#煤直接顶及基本定为坚硬的火成岩构造，厚度为22.8～28.1m，属巨厚坚硬顶板，顶板稳定性较好，难以自然垮落。火成岩的大面积侵入破坏了煤层的完整性与稳定性，给矿井支护带来了一定难度。
二、强制放顶技术研究
郭二庄矿二坑9#煤层火成岩顶板平均厚度达到了25m，而且质地坚硬，从开采过程中对顶板活动的观察来看，该顶板很难随采随落，有的顶板悬顶达到40m～50m长度时仍不能自然垮落，但此时悬顶垮落的风险及危害极大;当悬顶面积达到4000mm以上时，很容易出现强烈的冲击垮落，同时产生破坏力极大的冲击风暴，对矿井人员和设备设施带来极大危害。因此，必须要在大面积悬顶出现之前采取强制放顶措施，以消除顶板大面积垮落的风险。顶板处理分为初采放顶和步距强制放顶两个部分，初采放顶即在当工作面初采时，如果初采面推进至20米后火成岩顶板仍不能塌落时即开始进行初次强制放顶;初次放顶后随着工作面的推进，还要根据工作面直接顶的塌落情况进行步距强制放顶。通过上述放顶措施来改变巨厚火成岩顶板原有的垮落规律，在人工干预下避免坚硬悬顶的大面积形成。
（一）工作面支护措施
工作面采用ZY6000/22-45型掩护式液压支架作为顶板的支护措施，采用架后人工放顶措施进行顶板管理，在保证顶板足够支撑力的基础上使顶板实现有计划的垮落。
（二）初次放顶
（1）初次放顶步距和高度的确定。初次放顶步距应根据顶板厚度、岩性和結构等进行确定。根据9#煤层火成岩顶板特性，沿回采方向依次布置放顶钻孔，建议初次强制放顶间隔步距为10米。同时，在保证安全效益的前提下，适当在初次来压过后调整放顶步距，最大步距不超过15米，放顶高度为工作面采高的3～6倍，使其达到最佳放顶效果。
（2）孔深与最小抵抗线的确定。采用QZJ-100B潜孔风动钻机进行钻孔施工，根据顶板岩体特性与实际厚度，最小抵抗线取2～4m;孔深第一层取4m，第二层取2.5m。
（3）放顶组数与孔深。在距工作面老塘10米处布置第一组初次强制放顶钻孔，然后按照设计步距均匀布孔。在2个顺槽巷对称各打三组共7个孔，其中一组3个孔，孔深30m;二组、三组各2个孔，孔深分别为18m、15m。
（4）炮孔布局、角度和装药量。钻孔水平角度呈扇形布置，仰角呈梯形布置，采用并串联回路正向爆破，躲炮距离为200米。一组炮眼与工作面煤壁夹角为20°，二组炮眼与工作面煤壁夹角45°，三组夹角70°。使用二级煤矿许用水胶炸药进行爆破，装药长度不大于孔深的2/3，其余部分用炮土、木楔和封泥进行密封和填充;封孔长度不小于孔深的1/3。
（三）步距放顶
如果初次放顶后工作面直接顶不塌，或者是塌落高度不足时，需进行步距放顶。根据采面岩性特征和以前工作面来压步距，步距放顶步距设置为10m;随后可根据放顶后顶板塌落情况对步距进行调整，以使直接顶达到足够的塌落高度。步距放顶的目的是避免出现大面积悬顶，需要每隔一段距离就通过爆破的方式使顶板断裂，为避免出现较大的悬顶垮落，需保证放顶步距不超过设计距离;如需增加步距则必须认真调查顶板及其来压情况，在保证安全的前提下谨慎增加。
三、应用效果和效益分析
火成岩顶板表面凹凸不平，由于切眼沿火成岩掘进，工作面初采时煤层上方的夹矸避免了液压支架与火成岩表面的直接接触，从而保证了支架受力均匀。经过周期性放顶之后，坚硬顶板在未形成大面积悬顶之前得到及时垮落，开采过程中顶板来压并不明显。29204工作面在2019年8月～9月两个月期间，共对采面火成岩顶板强制放顶12次，安全生产原煤6万多吨，收到预期效果。按照吨煤利润200元计算，仅此即为企业创效1200万元。在保证下组煤安全开采的同时，延长了矿井服务年限，为企业带来了可观的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]高浩，巨厚坚硬顶板工作面初次放顶安全技术对策研究[J].能源技术与管理， 2012， （3）.
[2]牛文章，冯利宁.巨厚坚硬顶板条件下综采强制放顶技术实践[J].煤炭与化工 ， 2013 ，（6）.
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