含夾矸頂煤破碎機理及控制技術研究

賈俊英

（陽泉煤業集團天安煤礦，山西 忻州 034000）

1 工程概況

陽泉煤業天安煤礦20103 工作面位于礦井西部，北至井田礦界，南部為201 采區三條下山，東部為20101 回采工作面，西部為規劃20105 回采工作面。工作面開采2 號煤層，地面標高+1513～+1635 m，井下工作面煤層底板標高為+1322～+1365 m，埋藏深度為148～285 m，煤層厚度平均5.6 m。工作面采用放頂煤開采，截割高度2.5 m，放煤高度3.1 m，采放比1:1.24，循環進度0.6 m，放煤步距0.6 m。工作面煤層結構簡單，含1～3層夾矸，夾矸厚0.31～0.49 m左右，夾矸巖性多為泥巖或炭質泥巖，直接頂板、底板均為泥巖，巖層遇水易膨脹。

由于煤層開采空間較大，采空區頂板垮落的高度會達到開采空間的2.0～2.5 倍，直接頂可能會全部冒落導致更上方頂板出現不同的結構形式，尤其是在頂煤含有夾矸層的情況下，頂煤冒放性受到一定影響，頂板形成的承載結構也會產生差異。探究含夾矸頂煤的冒放性機理并針對夾矸層采取適當技術措施，是實現大采高綜放面安全生產的重要途徑。

2 20103 綜放面含夾矸頂煤冒放性分析

（1）含夾矸頂煤力學結構分析

根據對礦井其他工作面放煤頂板運移特征的分析，后方直接頂垮落結構對頂煤及夾矸的破斷影響不同。根據采空區直接頂與頂煤及夾矸位置的不同，可以將含夾矸頂煤力學結構劃分為兩端簡支梁、一端固支一端簡支梁和一端固支一端自由梁三種狀態，如圖1。

圖1 含夾矸頂煤力學結構示意圖

在形成兩端簡支情況下，兩端鉸接結構的強度較大，在上方載荷的擠壓下沉作用下，頂板裂隙向煤體和夾矸部位傳遞，裂隙逐漸累積加大了含夾矸頂煤的破碎狀態，頂煤較容易冒放下落。在一端固支一端簡支情況下，頂板結構先從固支端斷裂，隨著工作面的不斷推進，頂板逐漸向采空區后方傾斜，上方壓力傳播介質喪失，含夾矸頂煤未得到充分破碎，頂煤冒落多呈現以大塊煤體為主。在一端固支一端自由情況下，直接頂下落自由度進一步增大，頂煤冒放程度也進一步減弱。

（2）夾矸層對頂煤破碎影響分析

為探究20103 綜放面夾矸層不同數量、不同層位對頂煤冒放性的影響，借助數值軟件對不同情況下頂煤破碎損傷狀況進行分析，其中JZ 代表監測區域（自下而上編號），RP 代表夾矸層，結果如圖2。在不存在夾矸層（NRP）時，所有監測區域損傷值都接近為1，表明頂煤破碎程度充分；當夾矸層位由下方移動到上方時，頂煤損傷值由0.72 增加到0.86，表明夾矸層位影響頂煤破碎程度較明顯。對不同夾矸層厚度而言，較小厚度夾矸對頂煤損傷幾乎沒有阻礙，夾矸厚度增加對上層位頂煤破碎影響較小，對下層位影響較大。頂煤含三層夾矸時，破碎效果較兩層夾矸時差，損傷值減小0.06～0.18。由上可知，上下夾矸層位置影響上方梁結構的旋轉下沉，位置越靠上，下沉趨勢越不明顯；隨著夾矸層厚度的增加，夾矸層附近頂煤破碎點向采空區方向移動，放出效果變差；隨著夾矸層數的增加，應力傳遞路徑被阻斷，頂煤整體呈現硬煤狀態，無法放出或放出塊度較大。

圖2 夾矸層對頂煤破碎損傷的影響

上方載荷的擠壓是造成含夾矸頂煤易冒放的重要原因。當頂煤中不存在夾矸層時，隨著直接頂壓力傳遞和支架反復支撐作用，頂煤在放煤口上方的破碎程度不斷增加，冒落程度也較為充分。夾矸層的存在阻礙了上方載荷擠壓造成的裂隙傳遞，限制了上方頂板的變形和運動，尤其是中上位夾矸層的存在，更是增加了頂煤的破碎強度，造成頂煤冒落塊度較大、不易放出的現象。

3 20103 采場頂煤增放措施研究

3.1 深孔預裂爆破含夾矸頂煤

綜放面頂煤爆破工藝可以選擇有采場架間松動爆破、兩巷深孔預裂爆破和頂煤工藝巷深孔爆破三種方式。頂煤工藝巷深孔預裂爆破工序簡單，爆破擾動小，安全管理簡單，雖需要另掘工藝巷，但掘巷煤炭資源也可回收利用，因此在20103 工作面選擇頂煤工藝巷深孔預裂爆破方式增加頂煤破碎度。

（1）采場頂煤爆破鉆孔布置

20103 工作面頂煤厚3.1 m，布置的爆破巷尺寸寬為4.0 m，高為2.5 m，布置在工作面頂煤中部，爆破巷兩側需要預裂煤體范圍為60 m，如圖3。爆破巷迎頭距開切眼30 m 以避免強烈的初次來壓造成巷道及爆破孔的破壞。爆破孔間距為3 m，同一截面布置左右各一個鉆孔，孔口位于爆破巷幫部中間位置，鉆孔夾角與煤層平行，鉆孔深度為30 m，鉆孔與巷道夾角為75°，角度誤差控制在±2°內。

（2）炮眼參數設計

爆破工作在工作面回采前進行，從里向外依次爆破，避免爆破對采場正常生產的影響。為保證爆破效果充分發揮，炸藥選用二級煤礦許用乳化炸藥，采用不耦合裝藥模式，不耦合系數選取1.2，確定藥卷直徑50 mm，炮孔直徑為62 mm，藥包規格為50 mm×580 mm，裝藥密度為2.2 kg/m，封孔長度為6 m，封孔材料為沙子與黃泥混合物，采用分段封堵方式，封堵長度占總長度的1/5，單孔裝藥量52.8 kg。采用孔底反向起爆，雙電雷管引爆，成組分段延時起爆，三排為一組，每排同時起爆，每組延時間隔25 ms。

（3）施工技術措施

深孔打孔采用ZDY-400 鉆機，根據炮孔設計參數進行打孔，采用三翼金剛鉆頭打孔，每根鉆桿長度為1 m。在鉆孔施工過程中，要采用坡度儀準確定位炮孔角度，打孔后要記錄和檢查打孔情況。每次放炮前工作面所有支架必須處于完好工作狀態，支架要打足初撐力，超前支護必須符合作業規程要求。放炮人員必須在距放炮地點300 m 安全距離以外的進風巷道聯巷內進行放炮工作。使用兩導爆索進行起爆，用炮棍把藥卷推入到孔底，每次推進的總長度不超過3 m。聯線采用“局部并聯，總體串聯”的方式進行，放炮使用MFB-100 型起爆器，爆破母線長度為大于300 m，放炮安全距離不小于300 m。

（4）爆破安全措施

嚴格執行“一炮三檢”制和“三人連鎖”放炮制。爆破前，必須用水沖洗放炮地點30 m 范圍內的煤塵。爆破前必須詳細檢查工作面、爆破地點及附近20 m 范圍內風流中瓦斯濃度，只有當瓦斯濃度不超過1.0%時方可起爆。

圖3 深孔預裂爆破方案布置平面圖

3.2 爆破工程效果分析

靠近開切眼30 m 范圍內未實施爆破區域和后面實施爆破的區域相比，預裂爆破區頂煤破碎程度較高，可以順利放出，大塊度堵塞放煤口的現象沒有發生。預裂爆破區破碎后頂煤塊度小于20 cm 的比例增加了26%，塊度25～30 cm 塊度的比例減小了25%。通過頂煤回收情況統計（見表1），20103工作面煤炭資源綜合回收率提高了7.2%，頂煤回收率增加了11%，單循環可多回收資源240 t，20103工作面采取預裂措施后經濟效益較顯著。

表1 有無預裂爆破措施對比

4 結論

綜放面含夾矸頂煤冒放性受夾矸層厚度、層數影響，夾矸層的存在阻礙了上方載荷向下傳遞的趨勢，造成上方頂板巖梁結構不能夠充分彎曲下沉。采用深孔預裂爆破方式，能夠有效將夾矸層對頂煤破碎損傷的影響降低，工程實踐表明20103 工作面采用深孔預裂爆破措施后，工作面資源回收率增加了7.2%，頂煤冒放容易程度增加，符合礦井安全高效生產要求。