厚硬頂板工作面切頂卸壓研究與應用

王金晶

摘 要：為了解決九里山煤礦14141工作面基本頂來壓強度大的難題，綜合考慮工作面頂板巖層覆存情況、頂板巖石物理特性，決定對其頂板進行深孔爆破切頂卸壓工作。根據地質情況，通過理論分析計算，得出了鉆孔布置、孔間距、鉆孔深度、裝藥量、封孔長度等參數，并結合現場實際對多個參數進行修正。應用實踐表明：方案實施后采場礦壓顯現不明顯，基本頂初次來壓步距較小，來壓強度低，沒有出現大面積的冒頂、片幫，保證了工作面的安全生產。

關鍵詞：切頂卸壓;深孔爆破;礦壓;鉆孔;工作面

中圖分類號：TD235.4文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）07-0073-03

Abstract： In order to solve the problem of high strength of pressure coming from the basic roof of 14141 working face in Jiulishan coal mine， it was decided to carry out deep hole blasting to cut the roof and relieve the pressure in consideration of the overburden of the roof rock layer and the physical characteristics of the roof rock. According to the geological conditions， through the theoretical analysis and calculation， it was concluded that the drill hole arrangement， hole spacing， hole depth， controll and hole sealing parameters such as length， and connecting with the actual revised on multiple parameters. Schemes implemented in the practical application showed that the stope underground pressure was not obvious， the basic first step to pressure from the small， to compressive strength was low， no large area roof caving， help， to ensure the safety production of working face.

Keywords： roof cutting and pressure released;deep hole blasting;rock pressure;drill;working face

礦山壓力顯現規律及其控制方法的研究，是正確進行采礦設計、合理選擇支護形式及支架類型、加強頂板管理、保證安全生產的重要一環[1]。回采工作面煤壁上所承受的支承壓力會隨著老頂跨度的加大而增加[2]。特別是遇到厚度大、整體性好、強度高、自承能力強的厚硬頂板時，頂板不能隨采隨冒，容易造成采面跨冒事故，還可能引起沖擊地壓。沖擊地壓是礦山開采中發生的煤巖動力現象，是威脅煤礦安全生產的嚴重災害之一，可能會引發其他礦井災害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸、火災以及水災，干擾通風系統，嚴重時造成地面震動和建筑物破壞等[2]。目前，國內外主要有以下幾種堅硬頂板弱化技術：注水弱化堅硬頂板;注入靜態破碎劑弱化堅硬頂板;爆破弱化堅硬頂板。因此，在九里山礦的14141工作面實施頂板弱化強制放頂卸壓工程，以達到減弱頂板初次來壓步距和初次來壓強度的目的，從而保證工作面安全順利開采。

1 工作面概況

14141工作面所采二1煤層多以粒狀及塊狀為主，傾角為6°～12°，平均傾角為9.5°。其上部0.7 m為粉粒煤，呈末狀，光澤暗淡;下部為半亮型中硬煤，呈片狀、塊狀，金屬光澤，煤層結構簡單。基本頂：主要是砂巖，厚度為9.9 m;直接頂：粉砂巖，厚度為2.9 m;偽頂：炭質泥巖，厚度為0.2 m。

2 采面切眼頂板預裂割縫爆破

2.1 爆破孔參數及布置方式

工作面上安全口沿傾向向下開始布置爆破孔，共布置2列，分別布置在14141工作面切眼兩幫位置，距兩幫均1 m（可根據現場支護情況微調）。

2.1.1 鉆孔長度。影響爆破孔孔深的因素主要為：切眼煤層頂板中堅硬巖層的厚度;切頂鉆機驅動馬達的旋轉扭矩力;礦用炸藥的裝填方式和承載結構。在這三個因素中，切眼煤層頂板中堅硬巖層的厚度應作為主要影響因素進行考慮，使堅硬巖層的巖體都在深孔爆破作用范圍內[3]。按以往的經驗公式推定，有效切頂深度[H]應該為：

2.1.2 鉆孔直徑。首先，鉆機的能力會影響鉆孔直徑的大小，只有鉆機動力頭的扭矩較大，才能搭配較大的鉆頭，并且產生較高的鉆速。其次，巷道頂板巖體條件也會影響鉆孔的大小。如果頂板巖性較差，巖石比較破碎，在鉆進過程中則容易出現變形和塌孔的孔內事故，雖然對鉆機鉆頭的危害較小，但增加了后期下管裝藥的難度，容易形成廢孔或者危孔。最后，封孔工藝的可靠度和成熟度會直接影響鉆孔直徑的可擴展范圍。隨著孔徑的增大，封孔料的橫截面也隨之增大，這時封孔料的密度、強度就會相對降低，而爆炸產生的氣體作用在封孔料上的總壓力則相應增大，因此很容易造成串炮現象的發生。

根據以往工程經驗，不耦合系數[K]的合理范圍為1.30<[K]<1.80。14141工作面巷爆破預裂鉆孔直徑[d]=50 mm，礦用三級乳化炸藥直徑Φ=32 mm，因此不耦合系數為：

2.1.3 孔間距。在進行頂板巖性及裂隙發育情況調研的基礎上，結合之前確定的孔徑大小可以基本確定孔間距，但是，孔間距并不是隨著孔徑的增大而線性增加的。孔間距應該與孔徑在一個合理的范圍內，這樣才能在盡量減少施工工程量的前提下取得良好的爆破效果。過小的孔間距會使鉆孔工程量增大，鉆爆成本增加，所以，在保證良好的爆破效果的前提下，應盡量地增大孔間距。

2.2 裝藥方式

14141工作面切眼老頂厚度為7.48 m，依據封孔長度約為孔深的1/3的原則，將裝藥總長度暫定為4.6 m，封孔長度為3 m。為便于裝藥，利用Φ40 mm抽放管做藥卷載體將炸藥送入炮眼。

裝藥結構如圖1所示。

2.3 深孔爆破效果探測

為了驗證爆破后炮孔附近巖體中裂隙發育程度和爆破效果，爆破前在爆破孔附近施工一個平行鉆孔，利用YTJ20型巖層探測記錄儀對爆破前后鉆孔進行拍照對比。爆破前后鉆孔孔壁不同位置處的裂紋發育程度如圖2所示。

由圖2可知，爆破后孔壁上的裂紋顯著增多，出現了明顯的縱向裂紋，說明爆破管起到了定向作用，部分區段觀測到縱向和環向裂紋交織，部分位置出現塌孔現象，巖石松動破碎，整體性大大降低。

3 工作面切眼礦壓規律

3.1 直接頂初次垮落

經過近50 d的工作面礦壓觀測，14141工作面從開采一共推進了110 m。由于在開采之前對切眼內進行了頂板預裂爆破，因此，在推進過程中，工作面采空區內直接頂隨著推進逐漸垮落，垮落巖層基本充填滿采空區冒落空間，工作面壓力較小，煤壁片幫現象不明顯，直接頂垮落期間工作面礦山壓力顯現比較緩和。

3.2 基本頂初次來壓

當工作面推進到19～27 m時，工作面支架阻力開始增加，并在不同區段產生了不同的增加幅度。此時，頂底板移近速度出現峰值，活柱下縮量也達到最大，這主要是基本頂斷裂下沉所造成的。巷道監測表明，超前支護壓力和巷道變形在這此時也有變化，這是工作面來壓前的預兆。在進一步分析支架阻力及巷道移近變形的基礎上，得出的老頂初次來壓步距為22.2 m左右。

基本頂初次來壓的判別準則為：

14141工作面實測各支架初次來壓期間工作阻力隨工作面推進距離變化，對其中40#、41#支架工作阻力進行說明，如圖3和圖4所示。

從以上數據可以看出，14141工作面初次來壓步距為19～27 m，平均為22.2 m，其中采面中、上部分來壓步距較短。經過分析比較，發現該地段存在一個小斷層，使頂板巖層較為破碎。工作面平均工作阻力在來壓期間為3 718 kN，為支架額定工作阻力（6 800 kN）的54.7%。來壓期間最大工作阻力為7 987.4 kN，為額定工作阻力（6 800 kN）的117.5%。來壓期間平均循環末阻力為4 525.1 kN，為支架額定工作阻力（6 800 kN）的66.54%。通過更詳細的分析可知，該工作面支架的整體初撐力偏低，應適當調整液壓泵站壓力，增加初撐力水平。

在現場情況方面，基本頂初次來壓期間，頂板巖層發生冒落，工作面煤壁片幫較為明顯，特別是工作面中間段，片幫長度總和約為30 m，一般深度在0.5～1.0 m，并且基本都在煤壁上半部分。采空區頂板冒落在機頭和機尾存在明顯區別，機尾基本垮落，機頭出現2～5 m的懸頂。

4 結論

①實施切頂卸壓放頂技術，有效減小了采面初次來壓步距，減弱了初次來壓強度，效果顯著。14141工作面開切眼實施深孔預裂爆破后，開切眼頂板產生大量裂隙，實現了頂板預裂的目的，有效地降低了工作面老頂初次來壓和周期來壓的強度，降低了工作面人員的危險系數，避免了設備、設施的破壞。

②通過分析厚硬頂板條件下綜采工作面切頂卸壓采面覆巖運動規律，探討了覆巖分層垮落、采面動壓和巷道變形之間的關系，得出了切頂卸壓后工作面來壓規律和順槽圍巖長期變形機理。

③形成了一套完整的堅硬頂板下切頂卸壓技術體系，為焦作礦區同類條件下該類工程的施工提供了可靠的參考。

參考文獻：

[1]耿獻文，馬全禮，劉桂仁，等.礦山壓力測控技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2002.

[2]錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[3]袁河津，常榮俊，姚紹強.《煤礦安全規程》專家解讀[M].徐州：中國礦業大學出版社，2011.