博斯坦煤礦放頂煤工作面堅硬頂板下初次放頂處理技術

付李華，婁芳

（新疆維吾爾自治區煤炭科學研究所，新疆烏魯木齊 830091）

博斯坦煤礦放頂煤工作面堅硬頂板下初次放頂處理技術

付李華，婁芳

（新疆維吾爾自治區煤炭科學研究所，新疆烏魯木齊 830091）

針對博斯坦煤礦堅硬頂板條件，采用“超前工作面深孔爆破控制堅硬頂板”的方法，實現采空區自然冒落，解決采空區堅硬頂板冒落難的問題，為礦井的安全生產提供了條件。

堅硬頂板；超前爆破；放頂煤

新疆托克遜縣布爾堿博斯坦鄉聯合煤礦采用斜井開拓方式，主采侏羅系下統八道灣組地層中的3-3號煤層。由于煤層頂板堅硬難冒，為提高回采的安全性，必須對頂板進行處理，以滿足工作面在安全條件下正常回采。

1 井田概況

礦區范圍內僅有第四系上更新統、侏羅系下統三工河組、八道灣組出露，主要含煤地層為侏羅系下統八道灣組，現主采煤層3-3號煤層，頂板為鈣質膠結的礫巖及粗砂巖層，煤層下部地層為中、細砂巖，泥砂質膠結，巖性致密，裂隙不發育。構造表現為一走向近東西、傾向北的單斜構造，地層產狀由353°∠33°漸變為345°∠37°，地層連續，地表及井下均未發現斷裂構造，構造形態極為簡明。

礦區內3-3號煤層頂板為砂礫巖或中砂巖，底板為粉砂巖，厚度穩定，節理、裂隙不發育，巖石整體性較好。依據檢測結果，其物理力學性質如表1所示。

表1 3-3號煤層物理力學試驗成果

處理工作面位于主斜井以西的一采區一區段內，工作面運輸及回風順槽均沿3-3號煤層走向布置，運輸順槽標高+1 123 m，回風順槽標高+1 150 m。工作面運輸及回風順槽均為梯形斷面、金屬網錨噴支護，采用走向長壁懸移液壓支架放頂煤采煤法，工作面開幫高度2.0 m，放頂煤高度3.0m。

2 初次放頂頂板處理方法的選取

目前處理堅硬頂板的方法主要有兩種：高壓注水弱化、超前預爆破處理。

超前工作面深孔預爆破處理堅硬頂板是距工作面一定范圍內，在運輸、回風兩巷向巷道上部頂板巖層使用鉆機打眼進行爆破，使頂板巖層產生裂隙，促使頂板巖層應力狀態發生變化，堅硬難冒頂板變成隨采隨冒頂板[1]。該方法相對于高壓注水弱化方法，不受頂板巖性的限制，適用于對不同巖性的巖石頂板的控制,巖體內爆破不受最小抵抗線限制，有效地控制不同高度的老頂巖體的堅硬頂板。

結合博斯坦鄉聯合煤礦3-3號煤層的賦存條件，頂板管理采用“超前工作面深孔預爆破處理堅硬頂板”的方法，初次放頂范圍為：自開切眼后端煤壁起13 m范圍內。

3 超前預爆破工藝

3.1深孔爆破作用機理

深孔爆破由于無宏觀自由面，且采用不耦合裝藥方式，使其在爆炸沖擊波、應力波作用下巖石破壞變為一個復雜的動力學過程。炸藥在巖體中發生爆炸，炮孔周圍巖石在強烈的沖擊波及應力波作用下，徑向發生著不同程度的破壞。

3.1.1 爆炸沖擊波的沖擊壓縮效應

在炸藥發生爆炸的瞬間，產生高溫高壓作用，在炸藥與孔壁間隙中的空氣上形成了空氣沖擊波。空氣沖擊波對巖石產生沖擊壓縮效應，其瞬時峰值壓力遠大于巖石的抗壓強度，促使藥卷周邊巖石被破壞并形成粉碎區。

3.1.2 爆炸應力波的壓縮、拉伸效應

雖然爆破沖擊波產生的粉碎區范圍很小，但消耗了沖擊波的大部分能量，使得在粉碎區界面上衰減成為應力波，并繼續在巖石中沿徑向傳導。巖石在應力波的作用下，徑向上受應力作用，切向上受拉應力作用。由于巖石本身抗拉強度較低，在拉應力的作用下會產生一定范圍的徑向裂隙（由于巖石中存在一定的孔隙，相當于微觀的自由面，更加有利于拉應力作用下產生徑向裂隙）。

3.1.3 爆炸震動波的震動效應

爆炸所產生的應力波使巖石的徑向產生裂隙，衰減后變為彈性震動波，并沿徑向向巖石內部傳遞，直至消失。

3.1.4 爆炸氣體的氣楔效應

在爆炸后，采用有效的堵孔方法及手段，爆破所產生氣體會在炮孔形成新的應力場，擠入徑向裂隙，稱為“氣楔效應”。

3.2初次放頂參數設計

3.2.1 頂板處理高度確定

1）炮孔頂端最大裝藥高度。回采過程中威脅安全生產的頂板主要承壓層即為下部的7.73 m中砂巖，超前預爆破的炮孔頂端必須達到這一高度，加之其上部有一層0.46 m煤層，使得下部處理區頂板更易于冒落，同時為提高頂板冒落高度，進一步破壞上部高位老頂（主要為上部的9.75 m粉砂巖），因此確定炮孔頂端最大裝藥高度為13 m（支架上方高度，含3.0m的頂煤高度）。

工作面開切眼開幫回采高度2 m，處理后頂板直接冒落巖石的堆積高度約為采高的6倍（巖石碎脹系數取1.3），基本形成厚約13m的連續巖石墊層，可避免采空區后方上部老頂垮落時產生的空氣沖擊波對工作面的危害。在礦山壓力的作用下，采空區后方將不斷繼續冒落，直至地表。圖1為處理高度示意圖。

圖1 處理高度示意圖

2）炮孔下端裝藥高度。炮孔下端裝藥高度應以不影響回采工藝為原則，保證工作面安全，并且炮孔要有足夠的充填堵塞長度。根據上述原則[2]，確定炮孔下端裝藥高度為5m。

3.2.2 炮孔布置

炮孔位置主要根據工作面頂板巖性特征、處理主要承壓層及煤層傾角來布置[3]，初次放頂的炮孔布置采用分組雙側扇形布置的方式，在開切眼內及運輸、回風順槽內同時布設，共布置3組炮孔。

1）第1、2組（參數相同）炮孔：兩組炮孔主要用于切斷頂板的承壓層，在處理范圍內形成爆破裂隙帶，降低頂板的整體結構強度，促使其在采動應力作用下及時垮落。

2）第3組炮孔：為強化初次放頂的效果，在距開切眼前方煤壁10m處的運輸、回風順槽內采用雙側扇形布孔方式，布置第3組炮孔，運輸順槽內布置2個炮孔，回風順槽內布置3個炮孔。

3.2.3 炮孔參數

布置三組炮孔，共計15個孔，各炮孔參數如表2所示。

表2 初次放頂孔鉆爆參數

3.2.4 堵孔結構及方式

本次爆破炮孔的堵孔結構采用剛-塑-剛結構，即在炮孔的上、下兩端使用專用水泥，中部使用黃土細砂等塑性材料填充。該結構可保證爆炸氣體所產生的沖擊波，不沖孔，并能對巖石產生持續的破壞作用，提高爆破效果。

專用水泥選用錨固水泥卷，規格為：長度25 mm，直徑35mm，每3卷捆扎在一起，浸水后人工推送至孔內并搗實。

中部充填的黃土細砂配比為黃土：細沙：水= 75：20：5，由充填堵孔器輸送至孔內。

每孔裝藥封孔完畢后，在孔口段應留設不少于200mm的空段，用于放置聯結好的導爆索和雷管，隨后用黃土細砂封口。裝藥堵孔結構見圖2。

圖2 裝藥堵孔結構

4 頂板垮落狀況

初次放頂爆破工作結束后，在約10 d內頂板開始逐漸冒落，15 d左右工作面后部已基本冒落，僅上端頭三角區未冒，架后局部存在約1m～2m的懸頂，采空區后方已被冒落巖石充填。架后冒落的巖石，基本為泥質粉砂巖，塊度不大，可見到由拉應力形成的次生裂隙。圖3為工作面垮落示意圖。

圖3 工作面垮落示意圖

5 結束語

采用超前預爆破處理堅硬頂板，初次放頂效果明顯，減少了工作面大面積冒落造成的危害，符合國家相關安全要求。本項目的成功，對實施堅硬頂板條件下放頂煤采煤工藝初次放頂具有一定的指導和借鑒意義。

[1]李方立，王成，段長壽.超前深孔預爆破處理堅硬頂板的應用[J].礦山壓力與頂板管理,2001(3)：72-74.

[2]趙文.超前深孔預裂爆破弱化采煤工作面堅硬頂板技術研究[J].煤礦開采,2012,17(5):88-90.

[3]董福凱.頂板弱化處理法在開采堅硬頂板煤層中的應用[J].中國煤炭工業,2011(12):38-39.

[4]李春睿.堅硬頂板深孔預裂爆破新技術及其應用[J].煤礦安全,2014,45(6)：76-78,82.

[5]王開.普采工作面堅硬頂板控制及其研究[D].太原：太原理工大學,2006.

[6]張杰.淺埋煤層頂板深孔預爆強制初放研究[J].采礦與安全工程學報,2012,29(3):339-343.

（編輯：樊敏）

First Top Coal Caving under Hard Roof of Top Coal W orking Face in Bositan M ine

FU Lihua,LOU Fang
(Coal Science Research Institute of the Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumchi,830091,China)

On the condition ofhard roof in Bositan Mine,Deep Hole Blasting in AdvanceWorking Face to Control Hard Roofwas used to realize natural falling of goaf and solve the challenge of difficult fallingof roof,which could create the condition for the safeproduction.

hard roof;advanceblasting;top coalcaving

TD327.2

A

1672-5050（2016）06-030-04 DO I:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.009

2016-04-21

付李華(1980-)，男，陜西渭南人，大學本科，高級工程師，從事礦山通風及安全技術研究。