含夾矸厚頂煤冒放性機理及控制技術(shù)研究

高 懷 俊

（山西潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)公司，山西 忻州036000）

1 工程概況

孟家窯煤礦11508 工作面開采11 采區(qū)5 號煤層，工作面埋深350～400m，平均煤厚10.6m，平均傾角25°，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含2～3 層夾矸，內(nèi)生節(jié)理不發(fā)育，煤層質(zhì)地松軟。工作面?zhèn)雾攷r性為泥巖，黑色、薄層狀，厚度0.5～1.0m，屬軟巖；直接頂板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖、粒砂巖，厚度3.0～5.0m，巖相變化較大，屬于不穩(wěn)定-中等穩(wěn)定頂板；老頂巖性一般為中、細粒砂巖，分布不均厚度變化30.0～35.0m。直接底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等，厚度7.5～9.0m，巖相變化較大；老底巖性主要為粗、中、細粒砂巖，厚度10.0～15.0m，巖相變化較大，規(guī)律及不穩(wěn)定。

11508 工作面采用放頂煤開采，采煤高度2.8m，放煤高度7.8m，采放比1:2.8，循環(huán)進尺為0.6m，放煤步距也為0.6。在截割高度之上的煤體中，存在一層厚度達1.0m 的堅硬夾矸，如圖1 所示。由于夾矸層位距上方巖層和下部支架都有一定距離，上方頂板破斷產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)變形和下放支架產(chǎn)生的反復支撐作用都不能使該層夾矸產(chǎn)生破碎，堅硬夾矸層的存在影響了頂煤冒放的效果，對11508 工作面的正常推進十分不利。因此，需要對含夾矸層的頂煤冒放性進行研究并采取相應的厚夾矸層軟化措施改善頂煤冒放性。

圖1 11508 綜放面頂煤夾矸位置示意

2 含夾矸頂煤破碎機理

2.1 頂煤破碎機理的力學分析

在放頂煤工作面向前推進過程中，采場前后方的頂煤受力狀態(tài)和損傷變化特征可以劃分為4 個階段，如圖2 所示。I 區(qū)域范圍最廣，從煤體原巖應力區(qū)直到超前應力峰值位置，越靠近工作面煤體所受超前應力場越大，煤體發(fā)生細觀損傷的程度越大，此時細觀損傷僅限于有發(fā)育成裂隙的趨勢，煤體整體完整性良好；II 區(qū)域是超前支承應力峰值位置至煤壁位置區(qū)域，此時越靠近煤壁，應力值越小，煤體中發(fā)育的細觀裂隙已經(jīng)貫通發(fā)育成宏觀裂紋，表現(xiàn)為煤體破碎狀態(tài)加劇，塑性變形產(chǎn)生，承載能力逐步失去；III 區(qū)域從采場煤壁到支架后方頂板斷裂處，這部分頂煤屬于放煤區(qū)域，放煤過程中頂煤下沉速度遠大于上方頂板下沉速度，煤巖交界處產(chǎn)生離層，在支架反復支撐的擾動下，頂煤多發(fā)生豎向斷裂從而有利于放煤工作的進行，如果頂煤中存在夾矸層則會阻礙豎向斷裂的產(chǎn)生從而不利于頂煤冒放；IV 區(qū)域為支架后方的采空區(qū)垮落區(qū)，頂板下沉過程中會存在部分未放出的頂煤，這部分頂煤與前方煤體緊密相連從而限制支架上方頂煤破碎程度。正常情況下，4 個區(qū)域的過程是連續(xù)且頂煤能夠充分冒放的，當頂煤中存在厚硬夾矸層時，一方面頂煤不能充分發(fā)育豎向裂隙而無法破斷，另一方面即使頂煤豎向破斷產(chǎn)生，其破碎塊度也較大，不利于放煤工作的進行。

圖2 放頂煤的自然破壞過程

2.2 含夾矸對頂煤冒放性的影響分析

含厚硬夾矸層的頂煤中，應力傳遞會被阻斷，導致夾矸層上方煤層受力加大而下方煤層受力較小，同時夾矸層的存在還會導致頂煤變形分為兩部分，無法同時達到變形破壞的狀態(tài)，受夾矸層影響的頂煤塑性區(qū)發(fā)育和破碎系數(shù)對比如圖3、圖4 所示。塑性區(qū)發(fā)育趨勢表明夾矸層對上部煤體的破壞狀態(tài)影響較小，但對夾矸層附近煤體影響較大，使其出現(xiàn)彈性區(qū)，將上下兩部分的塑性區(qū)發(fā)育分離開，無法產(chǎn)生整體破碎狀態(tài)。破碎系數(shù)對比情況表明，受夾矸層的影響支架正上方破碎系數(shù)小于1.0 的區(qū)域基本擴展到整個支架上方位置，平均破碎系數(shù)從無夾矸的1.51 減小到有夾矸的0.99，降幅達34.4%，由此可見，頂煤夾矸層的存在，大大減小了頂煤的破碎程度，對頂煤的放出率影響很大。因此，有效增加頂煤與夾矸層的破碎程度是保證11508 工作面正常放煤工作的前提。

圖3 有無夾矸層對頂煤塑性區(qū)發(fā)育的影響

圖4 有無夾矸層對頂煤破碎系數(shù)的影響

3 11508 綜放面含厚夾矸放頂煤技術(shù)措施

3.1 含厚夾矸頂煤預裂爆破方案設(shè)計

為保證頂煤中的夾矸能夠被充分預裂爆破，在11508 工作面頂煤中新掘進一條爆破工藝巷，巷道斷面寬×高為5.0m×3.0m，布置在上方頂煤中部，工藝巷中線距兩側(cè)工作面巷道各75m，邊上留20m 的煤體不爆破以保證工作面順槽的穩(wěn)定性，則工藝巷兩側(cè)需爆破的煤體范圍各為50m，如圖5 所示。在工作面初采時由于來壓較強烈可不采取預裂措施，為減少工藝巷的掘進距離，掘進迎頭距開切眼煤壁60m 處停止。巷道設(shè)計預裂爆破鉆孔每排間距為6m，單排布置4 個孔，上下兩孔口相距3.0m，孔口角度分別與煤層夾角成±2°，鉆孔與巷道夾角為75°，鉆孔孔深為60m。

為保證頂煤和夾矸的預裂效果最大化，選用二級煤礦許用乳化炸藥，采用不耦合裝藥，裝藥系數(shù)根據(jù)模擬計算選取為1.25，同時確定的藥卷直徑為50mm，實際鉆孔直徑為62mm，藥包規(guī)格為50mm×580mm。綜合考慮爆炸效果和能量利用率，確定合理線裝藥密度為2.53kg/m，單孔裝藥量113.8kg。炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖6 所示，封孔材料采用黃泥與沙子分段封堵，封堵長度占總長的1/4。采用雙電雷管導爆索孔底反向起爆，起爆器型號為MFD-200 型，三排炮孔同時起爆，毫秒延遲時間為25ms。

圖5 爆破鉆孔布置方案

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)示意

3.2 工程應用效果分析

由于切眼前方60m 頂煤未采取預裂爆破措施，可以將有無爆破作用的放煤塊體進行統(tǒng)計分析，如圖7 所示。經(jīng)過爆破作用后，頂煤的破碎程度明顯增加，塊度小于20cm 的范圍比例增加了25.6%，大塊度21～30m的范圍比例減小了24%，預裂爆破作用對頂煤破碎的作用明顯，大塊夾矸或煤體堵塞放煤口的現(xiàn)象基本沒有發(fā)生。另外，經(jīng)過對頂煤回收率的統(tǒng)計分析，爆破后的頂煤綜合回收率相較之前增加了11.1%，達到了80.4%，工作面每循環(huán)多回收煤量300t 左右，經(jīng)濟效益可觀，安全技術(shù)符合11508 綜放面生產(chǎn)要求。

圖7 頂煤塊度統(tǒng)計分析

4 結(jié) 論

頂煤中厚硬夾矸層的存在對頂煤豎向裂隙發(fā)育和煤體破碎塊度有直接影響，不利于頂煤冒放工作。頂煤中夾矸層的存在會使塑性區(qū)發(fā)育被阻斷，整體破碎系數(shù)減小，對工作面支架與采空區(qū)安全產(chǎn)生較大負面影響。采用深孔預裂爆破技術(shù)可以有效將堅硬夾矸進行破碎，11508 綜放面頂煤采用深孔預裂爆破后，頂煤回收率增加了11.1%，單循環(huán)多回收近300t 資源，有效滿足了經(jīng)濟效益與生產(chǎn)安全的要求。