大采高首采面堅硬頂板初采放頂預裂技術研究

吳 小 國

（霍州煤電集團有限責任公司紫晟煤業，山西 霍州 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團紫晟煤業有限責任公司井田位于霍州市辛置鎮西南約2.0km 處北益昌村一帶，行政隸屬于霍州市辛置鎮管轄，井田東西寬2.850km，南北長3.500km，井田面積5.5014km2。所采煤層為首采區2# 煤層，該煤層為 1# 與 2# 煤合并層，1# 煤層厚度為1.4～1.8m，2# 煤層厚度為 2.2～3.8m，1# 煤與 2# 煤層夾矸厚度為0.3～1.0m，傾角2°～6°，平均4°，煤巖層賦存較穩定。如表1 所示，煤層上方直接頂即為基本頂，厚度為7.5m 的灰巖，深灰色，堅硬，中厚層狀。

表1 煤層頂板巖層特征表

2 大采高首采面工作面情況

2.1 采煤工藝

首采面采高平均為6.25m，采煤方法為綜合機械化一次采全高，工作面的推進沿頂板，平緩過渡段距機頭和機尾各20m。工作面端頭及超前支護段頂板的支護采用端頭支架和超前支架，工作面其余支護方式為錨、網、索聯合支護。

2.2 工作面主要設備情況

采煤機采用上海創力公司的雙滾筒采煤，型號為MG650/1380- WD；采用型號為SGZ1000/1820 的刮板輸送機；排頭架采用型號為ZYT13000/28/68，共3 架；過渡架采用型號為ZYGT13000/28/68，共2 架；中間架采用的型號為ZY13000/28/65，共130 架，過渡架采用的型號為ZYGT13000/28/68 ，共1 架，排尾架采用的型號為ZYT13000/28/68，共3 架；正副巷超前支架 ZTC30000/28/65 型各 4 組 8 架。

3 雙向聚能預裂爆破技術

結合切巷地質條件，對其進行理論分析和數值模擬。

3.1 切頂位置理論計算分析

由于切巷頂板的結構特點，可將其看作是大塊懸板。如圖1a 為理論計算得到的基本頂各個節點的最小主彎矩M3 的分布云圖，圖1b 為基本頂各個節點最大主彎矩M1 的分布云圖。由圖可知，基本頂各個節點主彎矩M1、M3 的分布規律：開采區域上方基本頂中部各個節點的最大主彎矩M1 與最小主彎矩M3均為正彎矩，即此區域基本頂上表面受壓應力、下表面受拉應力；長邊、短邊超前煤壁區的主彎矩M1、M3均為負彎矩，即此區域基本頂上表面受拉應力下表面受壓應力。

由于切巷頂板的結構特點，可將其看作是大塊懸板。如圖1a 為理論計算得到的基本頂各個節點的最小主彎矩M3 的分布云圖，圖1b 為基本頂各個節點最大主彎矩M1 的分布云圖。由圖可知，基本頂各個節點主彎矩M1、M3 的分布規律：開采區域上方基本頂中部各個節點的最大主彎矩M1 與最小主彎矩M3均為正彎矩，即此區域基本頂上表面受壓應力、下表面受拉應力；長邊、短邊超前煤壁區的主彎矩M1、M3均為負彎矩，即此區域基本頂上表面受拉應力下表面受壓應力。

圖1 基本頂主彎矩云圖

巖石具有抗性壓但不抗拉，所以最早被破壞的部位是基本頂下層中部和長邊、短邊超前煤壁區的上層。

上述理論分析也充分說明了，相比較而言沿著切眼長邊煤壁側雙向聚能爆破基本頂是最有利于基本破斷的位置，因為此區域基本的上表面所受到的拉應力最大，所以在該位置進行聚能爆破切縫基本頂更容易發生破斷。

3.2 切頂效果數值模擬

圖2 爆破前后應力轉移云圖

已知煤層上方直接頂即為基本頂，隨著工作面向前推進，基本頂大面積懸露，由于基本頂堅硬、不易斷裂，極易造成工作面頂板突然大面積垮落，造成安全事故。利用flac3d 數值模擬軟件，分析爆破切頂對懸頂的影響及斷裂機理。

圖2 為工作面推進40m 時，工作面周邊應力分布。由圖可以看出，爆破切頂后，懸頂壓力前移，使得懸頂在工作面煤壁上壓力升高，該部巖體在高應力作用下產生大量裂隙，加速懸頂破斷，縮短基本頂斷裂步距。

經上述分析可知，頂板越是堅硬并且厚度大的情況下，越可能聚集彈性能量，若上述頂板突然垮落，則其中積聚的能量會在瞬間釋放，就會造成災難性后果。因此提出雙向聚能爆破對采空區頂板進行切縫處理，通過爆破降低堅硬頂板強度和完整性，減小初次垮落步距和來壓強度，提高工作面回采的安全性。

4 大采高首采面初采放頂方案

為了有效防止初采期間大面積頂板不垮落引發的事故發生，進行大采高首采工作面初采強制放頂技術研究，提出如下雙向聚能預裂爆破放頂方案。

1）鉆孔深度：為保證切頂效果，根據基本頂厚度，綜合確定鉆孔深度為7000mm；

2）鉆孔直徑：鉆孔直徑取48mm；

具體參數如圖3 所示。

圖3 鉆孔示意圖

3）鉆孔角度及位置。如圖4，鉆孔角度β 建議取值5°，距離煤壁位置c 為100mm 左右。

圖4 炮孔布置示意圖

4）孔間距。鉆孔的間距直接決定了爆破的效果，間距過小會導致工程量的增加，間距過大時，爆破效果不佳。如圖4，切眼長度240m，為取得良好的爆破效果，孔間距為500mm。具體參數可根據現場爆破試驗效果再調整，以達到最佳效果。

5）聚能管的參數。聚能管內徑、外徑、長度分別為36.5mm、42mm、1500mm；在孔深7m 的鉆孔內安裝4根，聚能管切縫安裝時沿兩孔連線，聚能管的安裝順序由孔底到孔口依次為1. 5m、1. 5m、1. 5m、0. 5m。

6）乳化炸藥參數。爆破用炸藥必須是煤礦許用的三級乳化炸藥，直徑Φ32×200mm/ 卷；結合切縫范圍內頂板巖性特征以及切頂卸壓聚能爆破的相關經驗，確定3 種裝藥方式，并明確最終的裝藥爆破方案，方 案 見 表 2。 裝 藥 量 分 別 選 擇 為“4+3+2+1”、“3+3+2+1”、“3+2+2+1”，三種爆破方案的詳細爆破裝藥結構如圖5 所示。電雷管采用煤礦許用毫秒延期電雷管。

表2 炮孔裝藥方案

圖5 聚能爆破裝藥結構示意圖

7）封泥。為防止孔被吹并有一定安全系數的前提下，最終確定長度為2m 的炮孔封泥長度。嚴禁用煤粉、塊狀材料或者其他可燃性材料作炮眼封泥。無封泥、封泥不足或者不實的炮眼，嚴禁爆破。嚴禁裸露爆破。具體可根據爆破效果再調整，以能達到最優爆破效果為準。炮泥材質、使用方法，封泥方式等必須符合現行《煤礦安全規程》、《爆破安全規程》相關規定。

5 結 語

采用方案一處理大采高首采面2- 101 后，現場具有良好的效果，其中垮落步距范圍15.8- 18.9m，平均垮落步距為16.5m。直接頂具有分段來壓的現象，工作面機尾、中部和機頭直接頂初次來壓步距分別為23.0- 28.5m、35.0- 50.5m 和 54.8- 58m，相比較而言機尾的初次來壓步距較小。從工作面初采期間的整體來壓情況來看，來壓強度整體上較小，未出現明顯的煤壁發生大面積片幫、煤炮等問題，回風順槽也未有瓦斯超限現象出現，因此該方案在大采高首采面2- 101 初采期間取得了良好的經濟技術效果，有效地解決了大采高工作面頂板垮落面積大、強度大所可得帶來的安全隱患，保證了大采高工作面安全高效生產，對于推廣到礦井其他大采高工作面頂板控制具有積極的實踐意義。