新集二礦211113綜采面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)與實(shí)踐

徐庶澤

(中煤新集能源股份有限公司新集二礦，安徽省淮南市，232181)

頂板災(zāi)害是煤礦五大災(zāi)害之一，對巷道掘進(jìn)、工作面回采具有重大影響。特別是在堅(jiān)硬頂板條件下，煤炭回采后采空區(qū)大面積懸露頂板的突然垮落極易形成颶風(fēng)沖擊，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。目前工作面處理堅(jiān)硬頂板的方法主要有高壓注水弱化頂板、滯后爆破處理頂板和超前預(yù)爆破處理頂板3種。其中工作面高壓注水弱化頂板技術(shù)不適用于工作面頂板存在遇水會(huì)膨脹的巖層；滯后爆破處理頂板技術(shù)對于老頂巖層高度較大和工作面傾斜長度較大的頂板，處理效果則不理想，并且影響采煤工作面正常循環(huán)作業(yè)；而超前預(yù)爆破處理頂板技術(shù)由于超前工作面一定距離對頂板進(jìn)行破碎放頂，不影響工作面正常生產(chǎn)，且放頂效率高，逐漸成為處理工作面堅(jiān)硬頂板的一種通用技術(shù)。針對超前預(yù)爆破技術(shù)保證堅(jiān)硬頂板工作面的安全開采，一些學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，陳蘇社提出了超深孔爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)，通過對炮眼布置參數(shù)、炮眼裝藥工藝等進(jìn)行研究，有效解決了活雞兔21204工作面堅(jiān)硬頂板難以冒落的難題；李冰冰等采用超前預(yù)裂爆破方式處理堅(jiān)硬頂板，并優(yōu)化了裝藥方式，保證了工作面的正常回采。本文以新集二礦211113綜采面為工程背景，首先模擬了深孔預(yù)裂爆破處理堅(jiān)硬頂板減輕礦壓顯現(xiàn)的機(jī)理，再以工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，制定和確定了深孔預(yù)裂爆破方案及炮孔相應(yīng)參數(shù)，保證了工作面的安全高效回采。研究成果為類似地質(zhì)條件開采提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

新集211113工作面位于新集二礦二水平中央采區(qū)西翼，東起11#煤層和13#煤層共用軌道上山中部車場及石門，西至03勘探線以西107 m，南距111111采空區(qū)7.8～27.6 m，北至11-2#煤層-640 m 底板等高線附近，北部為11-2#煤層未動(dòng)工區(qū)。上距13-1#煤層43.8～75.5 m，平均距離為63.9 m；下距11-1#煤層5.1～27.2 m，平均距離15.0 m。工作面走向長度約為590 m，傾斜長度約為98 m，開采面積約124670 m2。工作面設(shè)計(jì)采高3.8 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，可采系數(shù)為1，屬于穩(wěn)定煤層，工作面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，一次采全高、全部垮落法管理頂板。

2 深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂機(jī)理數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

本次模擬采用UDEC數(shù)值模擬軟件，模型根據(jù)211113綜采面煤層的綜合柱狀圖建立。共有2個(gè)計(jì)算模型，模型1為堅(jiān)硬原生頂板未進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)的計(jì)算模型，用于模擬原生堅(jiān)硬頂板下煤層開采后的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律；模型2為堅(jiān)硬頂板在初采階段進(jìn)行預(yù)裂爆破，模擬其煤層開采后覆巖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。模型2的數(shù)值模型如圖1所示，模型尺寸為300 m×200 m，模型左右邊界和底邊界皆為位移固定，模型的上邊界施加10 MPa應(yīng)力。模擬參數(shù)如表1所示。

圖1 預(yù)裂爆破數(shù)值模型

巖層體積模量k/GPa剪切模量g/GPa密度d/kg·m-3摩擦角f/(°)內(nèi)聚力c/MPa抗拉強(qiáng)度t/MPa老底26341637250026132566直接底15881372240021108142611#煤層1402125137528139937偽頂285620842300301855584直接頂191582400261442347老頂251852550282282529

2.2 模擬結(jié)果分析

模型預(yù)裂爆破前后頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬情況如圖2和圖3所示。

由圖2可知，在堅(jiān)硬頂板條件下未采取放頂措施直接回采時(shí)，工作面?zhèn)雾敽椭苯禹旊S工作面的推進(jìn)逐漸垮落，但工作面基本頂不易破斷垮落，懸頂長度很大，而當(dāng)基本頂達(dá)到極限強(qiáng)度破斷時(shí)易產(chǎn)生巨大的沖擊載荷，工作面容易發(fā)生壓架和颶風(fēng)沖擊事故。

由圖3可知，當(dāng)采取放頂措施后頂板巖層隨即冒落充填采空區(qū)，可以很大程度上對上覆頂板起到緩沖作用，從而可以大幅度降低來壓強(qiáng)度。且隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，老頂周期性垮落，懸頂長度較小，不易造成支架的壓死和颶風(fēng)沖擊事故。此外，當(dāng)工作面采取預(yù)裂深孔爆破措施后，工作面的初次和周期來壓步距與未采取強(qiáng)制放頂措施相比都大大減小，從而減小了工作面的來壓強(qiáng)度。由圖2和圖3聯(lián)合表明，未采用深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂措施的基本頂初次來壓呈豎“O-X”型頂板破斷形式，如圖4(a)所示。而采用深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂措施后，在切眼側(cè)基本頂豎向形成了破裂屈服帶，使得頂板初次來壓破斷形式與周期來壓類似，呈“D”形懸臂型破斷形式，在切眼側(cè)基本頂垮落下沉量大，如圖4(b)所示。

圖2 堅(jiān)硬頂板情況下頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律

圖3 堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破后頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律

因此，通過UDEC離散元模擬計(jì)算可知，采用強(qiáng)制放頂后可實(shí)現(xiàn)基本頂初次垮落步距明顯減小，與周期來壓步距相當(dāng)，這樣有利于降低頂板大面積來壓造成的沖擊災(zāi)害，有利于支架的穩(wěn)定性及頂板安全管理，對工作面安全生產(chǎn)具有重要意義。

3 工作面深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂工程實(shí)踐

3.1 深孔爆破方案設(shè)計(jì)

深孔預(yù)裂爆破方案設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容是爆破循環(huán)步距、放頂高度、炮孔角度、炮孔深度及炮眼間排距等參數(shù)的合理確定，現(xiàn)根據(jù)工作面實(shí)際地質(zhì)條件結(jié)合相關(guān)理論對211113綜采面預(yù)裂爆破參數(shù)進(jìn)行合理確定。

(1)爆破循環(huán)步距。爆破循環(huán)步距的合理確定十分重要，循環(huán)步距過小，爆破工作量過大，成本也高；相反，如果循環(huán)步距過大又會(huì)導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈，強(qiáng)制放頂卸壓的效果差。而爆破循環(huán)步距又與工作面頂板的力學(xué)性質(zhì)、厚度及裂隙發(fā)育等情況息息相關(guān)，因此，循環(huán)步距應(yīng)該依據(jù)工作面的頂板巖石的力學(xué)性質(zhì)、厚度及采場來壓情況等因素綜合確定，其極限步距應(yīng)該小于工作面采場支架可承受的周期來壓步距。根據(jù)以上原則及結(jié)合211113工作面實(shí)際地質(zhì)生產(chǎn)條件綜合確定出爆破循環(huán)步距為20 m。

(2)放頂高度。不同的放頂高度，工作面回采后對采空區(qū)的充填程度不同，顯然放頂高度越大，采空區(qū)充填體越大，越有助于減輕老頂來壓時(shí)的沖擊載荷，從而減小颶風(fēng)威脅，但放頂高度越大，其成本越高，因此，確定合理的放頂高度十分必要。根據(jù)工作面回采后頂板垮落壓實(shí)理論可知，放頂高度可由下式計(jì)算得出：

(1)

式中：H——放頂高度，m；

M——采高，m；

Kp——頂板巖石的碎脹系數(shù)，一般取1.3。

根據(jù)式(1)計(jì)算得出工作面的放頂高度為12.67 m。

圖4 強(qiáng)制放頂前后基本頂初次來壓板破斷形式

(3)炮眼角度。炮眼角度是保證堅(jiān)硬頂板爆破放頂高度和長度的一個(gè)重要參數(shù)，傾角過大，導(dǎo)致爆破沿煤層傾向方向爆破范圍縮小，炮眼數(shù)目增多，工作量增大；傾角過小，雖然可以增大煤層傾向的爆破范圍，但裝藥位置與頂板的距離減小，爆破后可能導(dǎo)致頂板過于破碎，采煤時(shí)頂板管理困難。因此，必須確定合理的炮眼角度。根據(jù)工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件和相關(guān)原則，最后確定出工作面的炮眼方向與工作面平行，且不考慮水平角。

(4)炮眼深度。炮眼深度主要由工作面面長和煤層傾角確定，當(dāng)工作面面長較小時(shí)采用單向鉆眼，相反，當(dāng)面長較大時(shí)一般采用雙向鉆眼。由于本工作面面長只有65 m，較小，故炮眼只需在機(jī)巷單向鉆進(jìn)即可。具體的炮眼深度可由下式計(jì)算得出：

(2)

式中：L——炮眼深度，m；

l——炮眼在水平方向的投影長度，m；

α——煤層傾角，(°)。

(5)炮眼間排距。炮眼爆破后須將其爆破形成的裂隙相互交圈，形成裂隙網(wǎng)，從而達(dá)到較好的破碎效果。故原則上炮眼的長度應(yīng)小于2倍爆破的裂隙長度。其爆破裂隙圈半徑計(jì)算公式很多，本文根據(jù)參考文獻(xiàn)中的計(jì)算公式得出爆破裂隙圈半徑為0.75 m，因此，工作面炮眼排距不應(yīng)大于1.5 m。

以上文設(shè)計(jì)的炮眼參數(shù)為基礎(chǔ)，依據(jù)211113工作面實(shí)際的開采地質(zhì)條件確定出強(qiáng)制放頂?shù)某跏嘉恢脼殚_切眼前方5 m處，且每間隔20 m布設(shè)一組炮眼。具體的炮眼布置如圖5所示，其1-1組炮孔布置如圖6所示，1-1組炮孔爆破參數(shù)見表2。

3.2 強(qiáng)制放頂效果分析

在211113綜采面根據(jù)前面設(shè)計(jì)的預(yù)裂深孔爆破方案進(jìn)行強(qiáng)制放頂措施，具體的放頂順序?yàn)椋恒@孔、探孔、透孔、雷管導(dǎo)通、做炮頭、裝藥、封孔、導(dǎo)通檢查、撤人、警戒、聯(lián)線、通知礦調(diào)度放炮、檢查、解除警報(bào)。

表2 1-1組炮孔爆破參數(shù)表

圖5 工作面炮眼布置圖

圖6 1-1組炮孔布置

根據(jù)工作面液壓支架工作阻力在線監(jiān)測系統(tǒng)，對工作面上、中、下3個(gè)區(qū)域的共計(jì)6個(gè)支架進(jìn)行工作阻力實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析工作面的來壓情況。其工作面頂板的初次來壓情況見表3。

表3 初次來壓情況

如表3所示，工作面實(shí)施預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂后，初次來壓步距均值為28.2 m，與不進(jìn)行強(qiáng)制放頂?shù)某醮蝸韷翰骄?2 m相比減小了23.8 m；同理，強(qiáng)制放頂后工作面支架工作阻力均值為24.1 MPa，相比于不進(jìn)行強(qiáng)制放頂支架工作阻力均值的38.7 MPa減小了14.6 MPa。且在整個(gè)初采期間，強(qiáng)制放頂后頂板垮落基本充滿采空區(qū)，頂板運(yùn)動(dòng)不劇烈。綜上可以得出，211113綜采面在實(shí)施深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)后，工作面初次來壓強(qiáng)度大大降低，未出現(xiàn)工作面壓架和颶風(fēng)沖擊事故，表明工作面初采階段實(shí)施強(qiáng)制放頂技術(shù)后卸壓效果顯著，能夠保證工作面安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)UDEC數(shù)值模擬得出未采用深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂措施的基本頂初次來壓呈豎“O-X”型頂板破斷形式；而采用深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂措施后基本頂初次垮落步距明顯減小，且在切眼側(cè)基本頂豎向形成了破裂屈服帶，呈“D”形懸臂型破斷形式。

(2)根據(jù)211113工作面生產(chǎn)地質(zhì)情況，制定了深孔爆破方案，并確定了合理的爆破循環(huán)步距、放頂高度、炮孔角度、炮孔深度及炮眼間排距。

(3)對弱化后的工作面進(jìn)行了現(xiàn)場測量，觀測結(jié)果表明工作面實(shí)施預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂后，初次來壓步距減小了23.8 m；工作面支架工作阻力均值減小了14.6 MPa，在整個(gè)初采期間來壓強(qiáng)度大大降低，未出現(xiàn)工作面壓架和颶風(fēng)沖擊事故。

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