首采工作面堅硬頂板預裂技術研究與實踐

馬海勝

(山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048214)

1 工程概況

1301工作面為玉溪煤礦首采工作面，根據玉溪煤礦1301工作面輔助運輸巷道頂板巖層結構鉆孔窺視結果可知，3號煤層頂板從下至上依次為平均厚度2.4 m的泥巖(直接頂)、5.3 m的中砂巖(老頂)、7.4 m的泥巖，強度均大于60 MPa(見表1)，屬于堅硬不易垮斷巖層。初采前可能發生頂板不易垮落的現象。因此提前實施頂板預裂，對改善工作面通風條件、防止初采期間頂板大面積垮落時工作面瓦斯超限及減弱對支架的沖擊破壞性都有重要的現實意義。

表1 3號煤層及頂板巖石力學參數

2 預裂爆破設計

根據地質資料及頂板巖層鉆孔窺視結果，3號煤層老頂巖層為主要弱化處理對象，選用深孔預裂爆破方法對其進行弱化處理[2]。

2.1 炮孔布置

結合地質資料，在開切眼內布置預裂孔20個，從回風巷1向膠帶運輸巷方向分別用編號1～20表示，每4個鉆孔為一組，其中3個裝藥，1個為備用孔。施工炮眼總長440 m；裝藥總長度217.5 m，炸藥用量650 kg；封泥長度112.5 m。第1～2組為第一茬，3～5組為第二茬，分兩次裝藥與爆破，見圖1。

圖1 炮眼布置示意(m)

2.2 主要設計參數

頂板處理最大垂直高度11 m；孔徑75 mm；炸藥密度1 194.265 kg/m3；炸藥爆速2 800 m/s；封泥長度7.5 m；破碎區半徑平均為0.6 m；裂隙區半徑平均為3.1 m；孔距為每組內5.0 m；炮孔角度(水平仰角)為30±2°。

2.3 預裂爆破材料

爆破所用設備及材料見表2。

表2 爆破所用設備及材料

3 老頂斷裂極限跨距分析

3.1 老頂所承受的覆巖載荷

(1)

式中：n為老頂之上巖石層數；hi為各巖層的厚度，i=1，2，…，n；γi為各巖層的體積力；Ei為各巖層的彈性模量[1]。

結合地質資料及《山西蘭花科創玉溪煤礦3號煤1301工作面圍巖力學參數測試》結果進行老頂載荷計算，見表3。

表3 1301工作面頂板巖層主要力學參數

將表3所示巖層力學參數代入式(1)可以得到3號煤層覆巖中老頂自身載荷：

q1=γ1h1=164.3 kPa

考慮老頂上層7.4 m泥巖對老頂的作用：

同理，考慮第3～5層老頂的作用分別為:

=184.2 kPa

=156.2 kPa

根據計算：(q5)1<(q4)1，第1層中砂巖老頂控制著其上方共14 m巖層，載荷為184.2 kPa，簡記為q=184.2 kPa。

根據原巖預裂后再次平衡，預裂后受力分析見圖2，圖3為所受的剪力和彎矩。

圖2 預裂后受力分析

圖3 剪力及彎矩

分析圖2，可得:

R+F=qL

(2)

(3)

右端不受彎矩作用，撓度為0，則可列變形協調方程[1]：

wB=(wB)F+(wB)q=0，即有：

(4)

(5)

當σmax=RT時，巖層將在該處拉裂，因此斷裂極限跨距為[2]：

(6)

式中：h為老頂的厚度，m；RT為老頂的抗拉強度極限，MPa；q為老頂承受載荷，kPa；L1T為老頂一端固支一端簡支狀態下的極限跨距，m[1]。

3.2 綜合分析

未預裂老頂極限跨距理論值：

預裂后老頂極限跨距理論值：

理論計算1301工作面未實施爆破預裂老頂初次來壓步距為30.75 m，實施后為25.11 m。

4 實際來壓情況分析

4.1 頂板垮落

1301工作面切眼寬200 m，支架間距1 750 mm，從機頭至機尾共安裝液壓支架117架，見圖4。2020年6月17日開始回采，6月22日(6.4 m)59～69號支架后方輕微落頂，隨后隨著工作面推進，59～80號支架均出現輕微落頂；6月26日(11.6 m)70～80號支架后方直接頂垮落，隨后隨著工作面推進，5～113號支架后方直接頂陸續垮落，至7月7日(15.6 m)4號～113號架后基本垮落充實，至此工作面后方除兩端頭尚未垮落，其余所有支架上方直接頂都及時垮落。1301工作面兩側均為實體煤，回采巷道上方靠近實體煤側的覆巖沒有受到破壞，靠近采空區側的覆巖僅在本工作面回采擾動及自重作用下懸頂達到一定面積時才會垮落。7月13日(25.2 m)前端頭垮落充分，后端頭開始垮落；7月15日(26 m)后端頭垮落充分，至此老頂基本垮落完全。

4.2 支架壓力

1301工作面所有支架上均裝有壓力表，并有專人負責數據收集，現對2020年6月17日開始回采至8月2日累計回采進度達48.4 m時支架壓力進行分析。工作面共117架支架，均勻選取中部5架支架進行動態分析，見圖5。2020年6月17日8點班正式開始回采，根據圖4可以看出，工作面回采后支架壓力隨回采進度逐步增大，至7月7日(14.8 m)支架壓力增加至約35 MPa，隨后支架壓力隨回采進度在20～30 MPa之間呈現波動狀態，至7月13日(25.2 m)支架壓力約從35 MPa大幅度下降，至7月20日(32 m)后恢復波狀變化。

1301工作面回采過程中在推進至約15 m支架后垮落充實，支架壓力出現大幅度下降波動，推進至約25 m前后端頭全部垮落完成，老頂全部垮落，支架壓力從35 MPa直接下降至約20 MPa。通過對回采初期頂板垮落情況、工作面綜采支架工作阻力及理論計算依據綜合分析，1301工作面直接頂初次垮落步距約15 m，老頂初次垮落步距約25 m。

圖4 1301工作面布置

圖5 工作面液壓支架壓力曲線

5 結 語

玉溪煤礦1301工作面老頂為一層堅硬厚實的中粒砂巖，采用深孔預裂爆破方法對頂板進行了弱化處理，實施后通過對頂板預裂前后老頂斷裂極限跨距的理論分析、回采初期頂板垮落情況、工作面綜采支架工作阻力的綜合分析，判定初次來壓步距為25 m，縮短初次來壓步距，減小懸頂面積，防止大面積垮落時工作面瓦斯超限，減弱初次來壓對支架的沖擊破壞性，大大減輕礦井安全管理壓力。