厚硬頂板工作面切頂卸壓研究與應(yīng)用

王金晶

摘 要：為了解決九里山煤礦14141工作面基本頂來(lái)壓強(qiáng)度大的難題，綜合考慮工作面頂板巖層覆存情況、頂板巖石物理特性，決定對(duì)其頂板進(jìn)行深孔爆破切頂卸壓工作。根據(jù)地質(zhì)情況，通過(guò)理論分析計(jì)算，得出了鉆孔布置、孔間距、鉆孔深度、裝藥量、封孔長(zhǎng)度等參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正。應(yīng)用實(shí)踐表明：方案實(shí)施后采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)不明顯，基本頂初次來(lái)壓步距較小，來(lái)壓強(qiáng)度低，沒(méi)有出現(xiàn)大面積的冒頂、片幫，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：切頂卸壓;深孔爆破;礦壓;鉆孔;工作面

中圖分類號(hào)：TD235.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）07-0073-03

Abstract： In order to solve the problem of high strength of pressure coming from the basic roof of 14141 working face in Jiulishan coal mine， it was decided to carry out deep hole blasting to cut the roof and relieve the pressure in consideration of the overburden of the roof rock layer and the physical characteristics of the roof rock. According to the geological conditions， through the theoretical analysis and calculation， it was concluded that the drill hole arrangement， hole spacing， hole depth， controll and hole sealing parameters such as length， and connecting with the actual revised on multiple parameters. Schemes implemented in the practical application showed that the stope underground pressure was not obvious， the basic first step to pressure from the small， to compressive strength was low， no large area roof caving， help， to ensure the safety production of working face.

Keywords： roof cutting and pressure released;deep hole blasting;rock pressure;drill;working face

礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律及其控制方法的研究，是正確進(jìn)行采礦設(shè)計(jì)、合理選擇支護(hù)形式及支架類型、加強(qiáng)頂板管理、保證安全生產(chǎn)的重要一環(huán)[1]。回采工作面煤壁上所承受的支承壓力會(huì)隨著老頂跨度的加大而增加[2]。特別是遇到厚度大、整體性好、強(qiáng)度高、自承能力強(qiáng)的厚硬頂板時(shí)，頂板不能隨采隨冒，容易造成采面跨冒事故，還可能引起沖擊地壓。沖擊地壓是礦山開(kāi)采中發(fā)生的煤巖動(dòng)力現(xiàn)象，是威脅煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)重災(zāi)害之一，可能會(huì)引發(fā)其他礦井災(zāi)害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)，干擾通風(fēng)系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)造成地面震動(dòng)和建筑物破壞等[2]。目前，國(guó)內(nèi)外主要有以下幾種堅(jiān)硬頂板弱化技術(shù)：注水弱化堅(jiān)硬頂板;注入靜態(tài)破碎劑弱化堅(jiān)硬頂板;爆破弱化堅(jiān)硬頂板。因此，在九里山礦的14141工作面實(shí)施頂板弱化強(qiáng)制放頂卸壓工程，以達(dá)到減弱頂板初次來(lái)壓步距和初次來(lái)壓強(qiáng)度的目的，從而保證工作面安全順利開(kāi)采。

1 工作面概況

14141工作面所采二1煤層多以粒狀及塊狀為主，傾角為6°～12°，平均傾角為9.5°。其上部0.7 m為粉粒煤，呈末狀，光澤暗淡;下部為半亮型中硬煤，呈片狀、塊狀，金屬光澤，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。基本頂：主要是砂巖，厚度為9.9 m;直接頂：粉砂巖，厚度為2.9 m;偽頂：炭質(zhì)泥巖，厚度為0.2 m。

2 采面切眼頂板預(yù)裂割縫爆破

2.1 爆破孔參數(shù)及布置方式

工作面上安全口沿傾向向下開(kāi)始布置爆破孔，共布置2列，分別布置在14141工作面切眼兩幫位置，距兩幫均1 m（可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)情況微調(diào)）。

2.1.1 鉆孔長(zhǎng)度。影響爆破孔孔深的因素主要為：切眼煤層頂板中堅(jiān)硬巖層的厚度;切頂鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)扭矩力;礦用炸藥的裝填方式和承載結(jié)構(gòu)。在這三個(gè)因素中，切眼煤層頂板中堅(jiān)硬巖層的厚度應(yīng)作為主要影響因素進(jìn)行考慮，使堅(jiān)硬巖層的巖體都在深孔爆破作用范圍內(nèi)[3]。按以往的經(jīng)驗(yàn)公式推定，有效切頂深度[H]應(yīng)該為：

2.1.2 鉆孔直徑。首先，鉆機(jī)的能力會(huì)影響鉆孔直徑的大小，只有鉆機(jī)動(dòng)力頭的扭矩較大，才能搭配較大的鉆頭，并且產(chǎn)生較高的鉆速。其次，巷道頂板巖體條件也會(huì)影響鉆孔的大小。如果頂板巖性較差，巖石比較破碎，在鉆進(jìn)過(guò)程中則容易出現(xiàn)變形和塌孔的孔內(nèi)事故，雖然對(duì)鉆機(jī)鉆頭的危害較小，但增加了后期下管裝藥的難度，容易形成廢孔或者危孔。最后，封孔工藝的可靠度和成熟度會(huì)直接影響鉆孔直徑的可擴(kuò)展范圍。隨著孔徑的增大，封孔料的橫截面也隨之增大，這時(shí)封孔料的密度、強(qiáng)度就會(huì)相對(duì)降低，而爆炸產(chǎn)生的氣體作用在封孔料上的總壓力則相應(yīng)增大，因此很容易造成串炮現(xiàn)象的發(fā)生。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，不耦合系數(shù)[K]的合理范圍為1.30<[K]<1.80。14141工作面巷爆破預(yù)裂鉆孔直徑[d]=50 mm，礦用三級(jí)乳化炸藥直徑Φ=32 mm，因此不耦合系數(shù)為：

2.1.3 孔間距。在進(jìn)行頂板巖性及裂隙發(fā)育情況調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合之前確定的孔徑大小可以基本確定孔間距，但是，孔間距并不是隨著孔徑的增大而線性增加的。孔間距應(yīng)該與孔徑在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，這樣才能在盡量減少施工工程量的前提下取得良好的爆破效果。過(guò)小的孔間距會(huì)使鉆孔工程量增大，鉆爆成本增加，所以，在保證良好的爆破效果的前提下，應(yīng)盡量地增大孔間距。

2.2 裝藥方式

14141工作面切眼老頂厚度為7.48 m，依據(jù)封孔長(zhǎng)度約為孔深的1/3的原則，將裝藥總長(zhǎng)度暫定為4.6 m，封孔長(zhǎng)度為3 m。為便于裝藥，利用Φ40 mm抽放管做藥卷載體將炸藥送入炮眼。

裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 深孔爆破效果探測(cè)

為了驗(yàn)證爆破后炮孔附近巖體中裂隙發(fā)育程度和爆破效果，爆破前在爆破孔附近施工一個(gè)平行鉆孔，利用YTJ20型巖層探測(cè)記錄儀對(duì)爆破前后鉆孔進(jìn)行拍照對(duì)比。爆破前后鉆孔孔壁不同位置處的裂紋發(fā)育程度如圖2所示。

由圖2可知，爆破后孔壁上的裂紋顯著增多，出現(xiàn)了明顯的縱向裂紋，說(shuō)明爆破管起到了定向作用，部分區(qū)段觀測(cè)到縱向和環(huán)向裂紋交織，部分位置出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，巖石松動(dòng)破碎，整體性大大降低。

3 工作面切眼礦壓規(guī)律

3.1 直接頂初次垮落

經(jīng)過(guò)近50 d的工作面礦壓觀測(cè)，14141工作面從開(kāi)采一共推進(jìn)了110 m。由于在開(kāi)采之前對(duì)切眼內(nèi)進(jìn)行了頂板預(yù)裂爆破，因此，在推進(jìn)過(guò)程中，工作面采空區(qū)內(nèi)直接頂隨著推進(jìn)逐漸垮落，垮落巖層基本充填滿采空區(qū)冒落空間，工作面壓力較小，煤壁片幫現(xiàn)象不明顯，直接頂垮落期間工作面礦山壓力顯現(xiàn)比較緩和。

3.2 基本頂初次來(lái)壓

當(dāng)工作面推進(jìn)到19～27 m時(shí)，工作面支架阻力開(kāi)始增加，并在不同區(qū)段產(chǎn)生了不同的增加幅度。此時(shí)，頂?shù)装逡平俣瘸霈F(xiàn)峰值，活柱下縮量也達(dá)到最大，這主要是基本頂斷裂下沉所造成的。巷道監(jiān)測(cè)表明，超前支護(hù)壓力和巷道變形在這此時(shí)也有變化，這是工作面來(lái)壓前的預(yù)兆。在進(jìn)一步分析支架阻力及巷道移近變形的基礎(chǔ)上，得出的老頂初次來(lái)壓步距為22.2 m左右。

基本頂初次來(lái)壓的判別準(zhǔn)則為：

14141工作面實(shí)測(cè)各支架初次來(lái)壓期間工作阻力隨工作面推進(jìn)距離變化，對(duì)其中40#、41#支架工作阻力進(jìn)行說(shuō)明，如圖3和圖4所示。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，14141工作面初次來(lái)壓步距為19～27 m，平均為22.2 m，其中采面中、上部分來(lái)壓步距較短。經(jīng)過(guò)分析比較，發(fā)現(xiàn)該地段存在一個(gè)小斷層，使頂板巖層較為破碎。工作面平均工作阻力在來(lái)壓期間為3 718 kN，為支架額定工作阻力（6 800 kN）的54.7%。來(lái)壓期間最大工作阻力為7 987.4 kN，為額定工作阻力（6 800 kN）的117.5%。來(lái)壓期間平均循環(huán)末阻力為4 525.1 kN，為支架額定工作阻力（6 800 kN）的66.54%。通過(guò)更詳細(xì)的分析可知，該工作面支架的整體初撐力偏低，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整液壓泵站壓力，增加初撐力水平。

在現(xiàn)場(chǎng)情況方面，基本頂初次來(lái)壓期間，頂板巖層發(fā)生冒落，工作面煤壁片幫較為明顯，特別是工作面中間段，片幫長(zhǎng)度總和約為30 m，一般深度在0.5～1.0 m，并且基本都在煤壁上半部分。采空區(qū)頂板冒落在機(jī)頭和機(jī)尾存在明顯區(qū)別，機(jī)尾基本垮落，機(jī)頭出現(xiàn)2～5 m的懸頂。

4 結(jié)論

①實(shí)施切頂卸壓放頂技術(shù)，有效減小了采面初次來(lái)壓步距，減弱了初次來(lái)壓強(qiáng)度，效果顯著。14141工作面開(kāi)切眼實(shí)施深孔預(yù)裂爆破后，開(kāi)切眼頂板產(chǎn)生大量裂隙，實(shí)現(xiàn)了頂板預(yù)裂的目的，有效地降低了工作面老頂初次來(lái)壓和周期來(lái)壓的強(qiáng)度，降低了工作面人員的危險(xiǎn)系數(shù)，避免了設(shè)備、設(shè)施的破壞。

②通過(guò)分析厚硬頂板條件下綜采工作面切頂卸壓采面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討了覆巖分層垮落、采面動(dòng)壓和巷道變形之間的關(guān)系，得出了切頂卸壓后工作面來(lái)壓規(guī)律和順槽圍巖長(zhǎng)期變形機(jī)理。

③形成了一套完整的堅(jiān)硬頂板下切頂卸壓技術(shù)體系，為焦作礦區(qū)同類條件下該類工程的施工提供了可靠的參考。

參考文獻(xiàn)：

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