堅硬頂板預裂爆破強制放頂數值分析

溫有財

（大同市焦煤礦有限責任公司，山西 大同 037000）

1 工程地質背景

大同焦煤一礦8503工作面位于井田西部，煤層厚度約6～14m，平均厚度8m。工作面走向長度為118m，傾斜長度151m，煤層結構復雜，層位穩定?；夭煞椒ㄟx用走向長壁綜合機械化低位放頂煤法，頂板管理方法采用全部垮落法。采用深孔欲裂爆破弱化強制放頂處理方法來避免初采期頂板垮落造成的颶風災害。

8503 工作面直接頂厚度5.99m，基本頂厚度17.48m，基本底12m。

2 預裂爆破強制放頂破斷特征

采用UDEP數值分析軟件進行模擬分析，模擬檢驗深孔欲裂爆破強制放頂技術的適用性。頂板初次來壓步距、周期來壓步距數值的比較分析依據為UDEP數值模擬分析結果，進而結合數據對深孔欲裂爆破強制放頂技術的欲裂效果開展具體分析工作。

8203 工作面為水平煤層，井下標高為1043～1087m。在模擬實驗方案的設計中，預裂高度分別設計為5m、10m、15m，采用位移固定模型上表面應力邊界、左右邊界、下邊界條件。

（1）未采取強制放頂的頂板垮落規律

觀察工作面推進中采場覆巖垂直位移云圖以及垮落程度。當工作面煤層開挖10m時，直接頂開始出現明顯離層；開挖20m時基本頂開始出現離層；當工作面開挖30m，遠離切眼39m時，基本頂中部出現斷裂但未垮落，直接頂垮落?；卷數谝淮斡^察到完全垮落為開挖40m時，而當工作面開挖70m時，采場頂板呈現第一次周期來壓的特征，基本頂垮落位置遷移增大。由此可見，當回采面不斷掘進時，開始顯現越來越明顯的煤壁超前距離應力集中現象。當工作面推進49m時，頂板破碎垮落巖層進一步壓實，此時煤壁超前距離應力集中程度的周期性趨勢表現的越來越明顯，應力峰值先增大后減小，表明此時工作面頂板進入周期來壓開采狀態。

（2）采取預裂爆破強制放頂后的頂板垮落規律

隨著回采掘進，爆破強制放頂技術的超前深孔欲裂孔間距設定為15m，預裂高度20m，預裂線方向與煤壁平行。鉆孔施工應根據工作面周期來壓規律，在每次周期來壓前15m施工一組深孔爆破鉆孔（可根據工作面頂煤垮落現狀具體增大或縮小放頂步距），鉆孔參數按照本工作面初次放頂孔參數施工，目的為再次切斷基本頂，確保安全生產。

隨著工作面的推進，當開挖10m時，基本頂與上覆巖層預裂線出現層位交錯，基本頂進入初次來壓破斷狀態，直接頂進入隨采隨落狀態；開挖20m時，工作面經歷初次來壓開采狀態，初次來壓步距在19～29m；開挖40m時，采場后方的頂板垮落，垮落巖石被壓實，進而分擔了上覆巖層的部分壓力，工作面安全得到保證；開挖50m后，周期來壓呈現，周期來壓步距推測為15m，此時采場工作面為周期來壓開采狀態。由此可見，當工作面采煤作業時，頂板處理方法采取深孔欲裂爆破技術時，直接頂、基本頂垮落步距均減小，其優勢表現在，步距減小導致頂板垮落形成的沖擊力減小，進而其對工作面的沖擊效應減小。從數據分析可知，工作面采場前方巖層的應力集中位置、大小與預裂線距煤壁的距離關系顯著，預裂線將煤層上方頂板分割為塊狀巖體，從而使超前集中應力峰值出現在下一步工作面推進過程中。

（3）結果分析

結合大同焦煤一礦8503工作面地質背景，在同一工況條件下分析兩種放頂工藝對頂板垮落特性，并進行對比分析。通過上文的分析，可得出以下結論：

① 當工作面頂板處理方法選擇深孔欲裂爆破技術后，頂板初次來壓垮落步距和周期來壓垮落步距均發生顯著變化，分別降低50%與25%～50%，這說明對于強硬頂板條件下的煤礦開采，采取深孔預裂爆破強制放頂措施能夠有效改善工作面頂板管理作業條件。

② 當工作面采場頂板處理方法選擇深孔預裂爆破技術后，導致頂板欲裂線間巖體破碎呈現大塊特征，表現出剪切破壞特征，但在摩擦力的作用下，塊體滑移并未出現直接破斷垮落，進而使工作面頂板破斷呈現臺階狀破斷特征。

3 預裂高度對頂板破斷特征的影響

（1）不同預裂高度頂板垮落規律

模擬分析參數設計結合工作面推進實際，設計5m、10m、15m三個預裂高度，則：

5m預裂高度：開挖20m，基本頂未垮落，而直接頂的第一次部分垮落現象出現；開挖30m時，直接頂呈隨采隨落狀態，基本頂下部部分垮落，但未裂部分仍在承載范圍值內；開挖40m時，工作面呈現初次來壓狀態，基本頂完全垮落，上覆巖層也完全垮落，煤壁處位移增加明顯。由此可見，當預裂高度設置為5m時，通過深孔預裂爆破弱化硬頂板的目的未實現。

10m預裂高度：開挖10m過程中，基本頂與上覆巖層離層情況未出現，但直接頂發生變化，呈現下部部分垮落現象；推進20m，基本頂未垮落，直接頂則完全垮落；開挖30m時，直接頂完全垮落，基本頂預裂部分完全垮落，工作面初次來壓顯現，但上覆巖層垮落不明顯，因此工作面初次來壓釋放不完全；開挖40m時，初次來壓完全釋放，基本頂與上覆巖層完全垮落。由此可見，當設計為10m預裂高度情況下，采用深孔欲裂爆破技術并未達到理想的硬頂板弱化效果。

15m預裂高度：開挖10m過程中，基本頂預裂部分出現明顯的離層現象，直接頂下部完全垮落，鉸接旋轉特點顯現；開挖20m時，基本頂預裂部分垮落完全，直接頂完全垮落，工作面初次來壓，但未完全釋放；開挖30m時，基本頂完全垮落，上覆巖層完全垮落，初次來壓完全釋放。由此可見，當預裂高度為15m時，初次來壓步距減小幅度較大，采用深孔欲裂爆破技術基本可實現硬頂板弱化的效果。

（2）不同預裂高度工作面壓力變化規律

當預裂高度設置為5m時，直到工作面推進40m時，工作面采空區煤壁壓力瞬間增大，工作面初次來壓狀態顯現。隨著開采掘進面的不斷推進，煤壁處壓力呈現逐漸減小的狀態。當推進70m時，工作面首次顯現出周期來壓，由此可見，工作面周期來壓步距推測約為30m。

當預裂高度設置為10m時，工作面推進30m時呈現初次來壓狀態，而40m時煤壁處壓力增大，之后隨著工作面推進而減小。當工作面推進到70m時，煤壁處壓力再次突然加大，工作面首次周期來壓顯現，周期來壓步距約為30m，但初次來壓未完全釋放。

當預裂高度設置為15m時，工作面推進20m時呈現初來壓狀態，之后隨著工作面推進，煤壁處壓力逐漸減小。當工作面推進60m時，工作面頂板周期來壓顯現，煤壁處壓力再次突然增大，推測可知工作面頂板周期來壓步距約為20m。由此可見，當預裂高度設置為15m時，能夠達到預裂爆破弱化硬頂板的目的，進而使工作面實現安全生產。

4 結論

通過模擬分析可知，當采取深孔預裂爆破強制放頂措施，且預裂高度設置為15m時，對工作面硬頂板的弱化效果明顯，能夠實現人為控制工作面頂板破斷垮落步距的目的，實現安全生產，并降低預裂成本。在工作面實踐生產中，結合大同焦煤一礦8503工作面實際，實施深孔預裂爆破強制放頂措施，實現了安全生產，獲得了較高的經濟效益和社會效益。