大采高首采面堅(jiān)硬頂板初采放頂預(yù)裂技術(shù)研究

吳 小 國

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司紫晟煤業(yè)，山西 霍州 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)紫晟煤業(yè)有限責(zé)任公司井田位于霍州市辛置鎮(zhèn)西南約2.0km 處北益昌村一帶，行政隸屬于霍州市辛置鎮(zhèn)管轄，井田東西寬2.850km，南北長3.500km，井田面積5.5014km2。所采煤層為首采區(qū)2# 煤層，該煤層為 1# 與 2# 煤合并層，1# 煤層厚度為1.4～1.8m，2# 煤層厚度為 2.2～3.8m，1# 煤與 2# 煤層夾矸厚度為0.3～1.0m，傾角2°～6°，平均4°，煤巖層賦存較穩(wěn)定。如表1 所示，煤層上方直接頂即為基本頂，厚度為7.5m 的灰?guī)r，深灰色，堅(jiān)硬，中厚層狀。

表1 煤層頂板巖層特征表

2 大采高首采面工作面情況

2.1 采煤工藝

首采面采高平均為6.25m，采煤方法為綜合機(jī)械化一次采全高，工作面的推進(jìn)沿頂板，平緩過渡段距機(jī)頭和機(jī)尾各20m。工作面端頭及超前支護(hù)段頂板的支護(hù)采用端頭支架和超前支架，工作面其余支護(hù)方式為錨、網(wǎng)、索聯(lián)合支護(hù)。

2.2 工作面主要設(shè)備情況

采煤機(jī)采用上海創(chuàng)力公司的雙滾筒采煤，型號(hào)為MG650/1380- WD；采用型號(hào)為SGZ1000/1820 的刮板輸送機(jī)；排頭架采用型號(hào)為ZYT13000/28/68，共3 架；過渡架采用型號(hào)為ZYGT13000/28/68，共2 架；中間架采用的型號(hào)為ZY13000/28/65，共130 架，過渡架采用的型號(hào)為ZYGT13000/28/68 ，共1 架，排尾架采用的型號(hào)為ZYT13000/28/68，共3 架；正副巷超前支架 ZTC30000/28/65 型各 4 組 8 架。

3 雙向聚能預(yù)裂爆破技術(shù)

結(jié)合切巷地質(zhì)條件，對(duì)其進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬。

3.1 切頂位置理論計(jì)算分析

由于切巷頂板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其看作是大塊懸板。如圖1a 為理論計(jì)算得到的基本頂各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小主彎矩M3 的分布云圖，圖1b 為基本頂各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大主彎矩M1 的分布云圖。由圖可知，基本頂各個(gè)節(jié)點(diǎn)主彎矩M1、M3 的分布規(guī)律：開采區(qū)域上方基本頂中部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大主彎矩M1 與最小主彎矩M3均為正彎矩，即此區(qū)域基本頂上表面受壓應(yīng)力、下表面受拉應(yīng)力；長邊、短邊超前煤壁區(qū)的主彎矩M1、M3均為負(fù)彎矩，即此區(qū)域基本頂上表面受拉應(yīng)力下表面受壓應(yīng)力。

由于切巷頂板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其看作是大塊懸板。如圖1a 為理論計(jì)算得到的基本頂各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小主彎矩M3 的分布云圖，圖1b 為基本頂各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大主彎矩M1 的分布云圖。由圖可知，基本頂各個(gè)節(jié)點(diǎn)主彎矩M1、M3 的分布規(guī)律：開采區(qū)域上方基本頂中部各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大主彎矩M1 與最小主彎矩M3均為正彎矩，即此區(qū)域基本頂上表面受壓應(yīng)力、下表面受拉應(yīng)力；長邊、短邊超前煤壁區(qū)的主彎矩M1、M3均為負(fù)彎矩，即此區(qū)域基本頂上表面受拉應(yīng)力下表面受壓應(yīng)力。

圖1 基本頂主彎矩云圖

巖石具有抗性壓但不抗拉，所以最早被破壞的部位是基本頂下層中部和長邊、短邊超前煤壁區(qū)的上層。

上述理論分析也充分說明了，相比較而言沿著切眼長邊煤壁側(cè)雙向聚能爆破基本頂是最有利于基本破斷的位置，因?yàn)榇藚^(qū)域基本的上表面所受到的拉應(yīng)力最大，所以在該位置進(jìn)行聚能爆破切縫基本頂更容易發(fā)生破斷。

3.2 切頂效果數(shù)值模擬

圖2 爆破前后應(yīng)力轉(zhuǎn)移云圖

已知煤層上方直接頂即為基本頂，隨著工作面向前推進(jìn)，基本頂大面積懸露，由于基本頂堅(jiān)硬、不易斷裂，極易造成工作面頂板突然大面積垮落，造成安全事故。利用flac3d 數(shù)值模擬軟件，分析爆破切頂對(duì)懸頂?shù)挠绊懠皵嗔褭C(jī)理。

圖2 為工作面推進(jìn)40m 時(shí)，工作面周邊應(yīng)力分布。由圖可以看出，爆破切頂后，懸頂壓力前移，使得懸頂在工作面煤壁上壓力升高，該部巖體在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生大量裂隙，加速懸頂破斷，縮短基本頂斷裂步距。

經(jīng)上述分析可知，頂板越是堅(jiān)硬并且厚度大的情況下，越可能聚集彈性能量，若上述頂板突然垮落，則其中積聚的能量會(huì)在瞬間釋放，就會(huì)造成災(zāi)難性后果。因此提出雙向聚能爆破對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行切縫處理，通過爆破降低堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度和完整性，減小初次垮落步距和來壓強(qiáng)度，提高工作面回采的安全性。

4 大采高首采面初采放頂方案

為了有效防止初采期間大面積頂板不垮落引發(fā)的事故發(fā)生，進(jìn)行大采高首采工作面初采強(qiáng)制放頂技術(shù)研究，提出如下雙向聚能預(yù)裂爆破放頂方案。

1）鉆孔深度：為保證切頂效果，根據(jù)基本頂厚度，綜合確定鉆孔深度為7000mm；

2）鉆孔直徑：鉆孔直徑取48mm；

具體參數(shù)如圖3 所示。

圖3 鉆孔示意圖

3）鉆孔角度及位置。如圖4，鉆孔角度β 建議取值5°，距離煤壁位置c 為100mm 左右。

圖4 炮孔布置示意圖

4）孔間距。鉆孔的間距直接決定了爆破的效果，間距過小會(huì)導(dǎo)致工程量的增加，間距過大時(shí)，爆破效果不佳。如圖4，切眼長度240m，為取得良好的爆破效果，孔間距為500mm。具體參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)效果再調(diào)整，以達(dá)到最佳效果。

5）聚能管的參數(shù)。聚能管內(nèi)徑、外徑、長度分別為36.5mm、42mm、1500mm；在孔深7m 的鉆孔內(nèi)安裝4根，聚能管切縫安裝時(shí)沿兩孔連線，聚能管的安裝順序由孔底到孔口依次為1. 5m、1. 5m、1. 5m、0. 5m。

6）乳化炸藥參數(shù)。爆破用炸藥必須是煤礦許用的三級(jí)乳化炸藥，直徑Φ32×200mm/ 卷；結(jié)合切縫范圍內(nèi)頂板巖性特征以及切頂卸壓聚能爆破的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，確定3 種裝藥方式，并明確最終的裝藥爆破方案，方 案 見 表 2。 裝 藥 量 分 別 選 擇 為“4+3+2+1”、“3+3+2+1”、“3+2+2+1”，三種爆破方案的詳細(xì)爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖5 所示。電雷管采用煤礦許用毫秒延期電雷管。

表2 炮孔裝藥方案

圖5 聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

7）封泥。為防止孔被吹并有一定安全系數(shù)的前提下，最終確定長度為2m 的炮孔封泥長度。嚴(yán)禁用煤粉、塊狀材料或者其他可燃性材料作炮眼封泥。無封泥、封泥不足或者不實(shí)的炮眼，嚴(yán)禁爆破。嚴(yán)禁裸露爆破。具體可根據(jù)爆破效果再調(diào)整，以能達(dá)到最優(yōu)爆破效果為準(zhǔn)。炮泥材質(zhì)、使用方法，封泥方式等必須符合現(xiàn)行《煤礦安全規(guī)程》、《爆破安全規(guī)程》相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié) 語

采用方案一處理大采高首采面2- 101 后，現(xiàn)場(chǎng)具有良好的效果，其中垮落步距范圍15.8- 18.9m，平均垮落步距為16.5m。直接頂具有分段來壓的現(xiàn)象，工作面機(jī)尾、中部和機(jī)頭直接頂初次來壓步距分別為23.0- 28.5m、35.0- 50.5m 和 54.8- 58m，相比較而言機(jī)尾的初次來壓步距較小。從工作面初采期間的整體來壓情況來看，來壓強(qiáng)度整體上較小，未出現(xiàn)明顯的煤壁發(fā)生大面積片幫、煤炮等問題，回風(fēng)順槽也未有瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)，因此該方案在大采高首采面2- 101 初采期間取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，有效地解決了大采高工作面頂板垮落面積大、強(qiáng)度大所可得帶來的安全隱患，保證了大采高工作面安全高效生產(chǎn)，對(duì)于推廣到礦井其他大采高工作面頂板控制具有積極的實(shí)踐意義。