10-205 工作面開采礦壓規律分析與強制放頂技術應用

郝先鋒

（山西焦煤集團臨汾宏大礦業有限責任公司，山西 臨汾 041000）

我國煤礦以地下開采為主，面臨著諸多事故災害的威脅，其中，頂板事故是影響礦井安全高效開采的主要因素之一。當工作面賦存的頂板巖層完整性好、強度高、承載能力強時，工作面開采后頂板巖層不易垮落，導致頂板大面積懸露，易誘發嚴重的動力災害。針對堅硬頂板的處理，國內外專家學者經過幾十年的發展，取得諸多研究成果，提出了定向水力壓裂、深孔松動爆破等一系列的技術手段，以弱化堅硬頂板巖層為主要目的，避免工作面開采后形成大面積懸頂[1-5]。本文以錦程礦10-205 工作面基本頂賦存堅硬頂板K2 石灰巖為研究背景，利用數值模擬分析工作面開采礦壓顯現規律，提出采用超前深孔松動爆破的方法對10-205 工作面堅硬頂板K2 石灰巖進行強制放頂，以消除工作面開采存在的安全隱患。

1 工程概況

10-205 工作面位于+1042 m 水平二采區西北部，開采太原組下段（9+10）#煤層，工作面東為實煤區，西鄰井田邊界三角實煤區，南為二采區西軌道大巷，北部鄰近井田邊界保護煤柱，地面標高1330～1410 m，工作面標高965～1070 m。根據10-205 工作面兩順槽揭露，煤層厚度為3.8～4.6 m，平均為4.2 m，工作面開采范圍內煤層穩定，普遍含有兩至三層夾矸，巖性以泥巖、炭質泥巖為主。基本頂為K2 石灰巖，厚度3.09～10.05 m；偽頂為灰質泥巖，厚度0.00～0.25 m；直接底為泥巖，厚度0.30～0.60 m；基本底為泥巖，厚度2.37～4.44 m。10-205 工作面基本頂K2 石灰巖屬于堅硬頂板巖層，工作面回采初期易出現大面積懸頂。為實現10-205 工作面開采后堅硬頂板及時垮落，避免大面積懸頂誘發的安全事故，在10-205 工作面回采前設計采用深孔松動爆破的方式對堅硬頂板進行強制放頂。

2 工作面開采礦壓顯現規律

以10-205 工作面為背景，利用FLAC3D有限差分軟件模擬分析工作面不同推進距離（18 m、27 m、36 m、45 m、54 m、90 m、180 m）的礦壓顯現規律。圖1 為工作面頂底板圍巖塑性區和垂直應力分布云圖。

圖1 頂底板圍巖塑性區和垂直應力分布云圖

從工作面頂底板圍巖塑性區和垂直應力分布云圖可以看出：工作面推進距離為18 m 時，采空區上方的偽頂已塑性破壞，但其上部基本頂巖層未出現塑性破壞；當工作面推進距離為27 m 時，基本頂巖層出現塑性破壞（破壞高度約3.0 m）；在工作面推進距離為36 m 時，基本頂巖層塑性破壞范圍增加（破壞高度增加至3.0 m）；當工作面推進距離增加至45 m 后，采空區基本頂塑性破壞范圍擴大，破壞范圍延伸到上部巖層，此時基本頂出現破斷，頂板巖層大面積垮落，表現為基本頂初次來壓；在推進距離為54 m、90 m 和180 m 時，工作面回采后頂板巖層垮落狀態基本相同，基本頂巖層充分垮落，且上覆巖層隨基本頂巖層垮落而破壞。

由圖1 可知：當工作面推進距離為18 m 時，工作面前方煤體應力峰值不明顯，工作面前方3.0 m 區域煤體頂板位置存在較大應力集中，最大應力值約13.4 MPa；當工作面推進距離為27 m 時，工作面前方煤體應力峰值增加至14.6 MPa，位于工作面前方3.0 m 位置；當工作面推進距離增加至36 m時，工作面前方煤體應力峰值增加至17.1 MPa，位于工作面前方4.0 m 位置；當工作面推進距離為45 m 時，由于基本頂巖層出現斷裂，頂板壓力減小，應力傳遞向前轉移，應力峰值位置前移，同時應力集中范圍明顯減小；隨著工作面的不斷推進，在推進距離為54 m、90 m 和180 m 時，應力峰值大小及位置基本穩定，同時推進距離每增加18 m，應力分布出現一次緩和波動，因此預測10-205 工作面周期來壓步距約18 m。

綜上所述，預測10-205 工作面初次來壓步距約45 m，即工作面推進距離為45 m 時，基本頂巖層初次破斷。由于基本頂巖層強度較高，且初次來壓步距較大，即堅硬頂板垮落面積較大，避免大面積懸頂誘發的安全事故，需要對工作面堅硬基本頂進行弱化處理。

3 堅硬頂板強制放頂技術

根據工作面開采礦壓顯現規律分析，確定在10-205 工作面采用深孔松動爆破的方式對堅硬頂板進行強制放頂。

（1）爆破鉆孔布置

在10-205工作面開切眼中布置45個爆破鉆孔，為增加松動爆破效果，在10-205 工作面開切眼兩側的順槽內各布置3 個爆破鉆孔，合計布置爆破鉆孔51 個。爆破鉆孔具體參數如下：爆破鉆孔每3 個為1 組，鉆孔直徑75 mm，鉆孔垂深11.5 m，鉆孔傾角52°，鉆孔深度15 m，鉆孔組間距10 m，鉆孔間距5 m。如圖2。

圖2 10-205 工作面爆破鉆孔布置圖（m）

（2）爆破參數

采用聚能爆破，鉆孔裝藥結構如圖3。將炸藥裝于聚能管中，聚能管外徑為63 mm，聚能管管內設置兩根外徑20 mm 的空管，空管對稱布置，炸藥不耦合系數為1.5。聚能管放置在爆破鉆孔內，且放置時兩空管連線平行于工作面開切眼方向，裝藥直徑60 mm，裝藥長度6.5 m，封孔長度8.0 m，單孔裝藥量20 kg。

圖3 鉆孔裝藥結構（mm）

4 爆破效果分析

10-205 工作面深孔松動爆破后，進行了礦壓觀測，經統計工作面平均初次來壓步距在17.02 m，平均來壓強度30.89 MPa，平均周期來壓步距19.34 m，平均周期來壓強度20.48 MPa，表1 給出了10-205 工作面礦壓監測結果（10 個測站）。

表1 工作面礦壓監測結果

根據10-205 工作面現場礦壓監測，經過強制放頂，工作面初次來壓步距為17.02 m，明顯小于數值模擬結果，平均周期來壓步距19.34 m，與數值模擬結果相吻合。綜上表明，采用深孔松動爆破的方式對10-205 工作面堅硬頂板進行了強制放頂，可有效實現初次來壓步距，避免10-205 工作面回采初期因大面積懸頂誘發的安全事故。

5 結論

以10-205 工作面為工程背景，通過分析工作面開采礦壓顯現規律，認為10-205 工作面開采前需對堅硬頂板巖層進行弱化處理，基于此，設計采用深孔松動爆破的方式對10-205 工作面堅硬頂板進行強制放頂。強制放頂后，10-205 工作面初次來壓步距為17.02 m，明顯小于數值模擬結果，平均周期來壓步距19.34 m，與數值模擬結果相吻合。綜上表明，采用深孔松動爆破的方式對10-205 工作面堅硬頂板進行強制放頂，可有效實現初次來壓步距，避免工作面回采初期因大面積懸頂誘發的安全事故。