大采高綜采工作面初采強制放頂方案優(yōu)化設(shè)計與施工

馬礦生，李厥高，李 偉

(1.山西府谷能源股份有限公司 三道溝煤礦，陜西 府谷 719400;2.大連大學 院士創(chuàng)業(yè)園，遼寧 大連 116622)

我國煤層賦存條件復雜，屬于堅硬頂板的煤層約占1/3，堅硬頂板導致煤層開采后，在采空區(qū)懸露面積較大、短時間頂板不易自然垮落［1－4］。由于巖層自身特點，其工作面具有礦壓顯現(xiàn)劇烈，來壓步距及動載系數(shù)較大，特別是初次來壓步距更大，冒落時產(chǎn)生強烈風暴，給煤礦安全生產(chǎn)帶來了極大危害，同時也是沖擊地壓等重大災害事故的誘因。對于堅硬頂板控制一直是國內(nèi)外采礦及科研工作者十分重視的課題之一。目前，頂板控制技術(shù)主要分為堅硬頂板弱化和深孔松動爆破技術(shù)［5－6］，主要針對普通采高工作面，對于堅硬頂板大采高工作面初次來壓強制放頂研究甚少。

因此，本文基于結(jié)構(gòu)力學模型分析了堅硬頂板放頂?shù)睦碚摫匾?，并在三道溝煤礦已采45201 工作面強制放頂及礦壓顯現(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了85201 工作面強制放頂主要參數(shù)，為大采高工作面強制放頂提供了理論依據(jù)。

1 礦井及工作面條件

三道溝煤礦隸屬陜北侏羅紀煤田神府礦區(qū)，井田面積176.1km2，設(shè)計可采儲量為9.3Gt，設(shè)計產(chǎn)量9Mt/a。服務(wù)年限為76.3a。礦井主采煤層為5－2上和5－2 煤層，層間距平均為20m。三、四采區(qū)分別開采5－2上，5－2 煤層。在此范圍內(nèi)煤層平均厚度分別為1.9m，2.8m。2 個采區(qū)的巷道采用上下重疊布置形式。

45201 工作面為四采區(qū)的首采工作面，45202北鄰45201 工作面，為四采區(qū)的第2 個工作面。其正上方為三采區(qū)35103 工作面的采空區(qū)。45202 綜采工作面傾斜長度300m，走向長度2800m。工作面布置掩護式液壓支架173 架，支架中心距為1.75m，工作阻力為8600kN。

85201 面是八采區(qū)首采面，開采5－2 煤，煤層厚度6.48～6.95m，采面以南為礦井3 條主大巷，西為85202 輔運巷，北為礦井邊界。工作面直接頂為3.5m 粉砂質(zhì)泥巖，局部有泥質(zhì)粉砂巖，水平層理?；卷敒?1.5m 灰－灰白色細砂粉砂巖，層理明顯，鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)。

2 基于結(jié)構(gòu)力學模型來壓步距的理論計算

2.1 大采高堅硬頂板初次來壓步距

在結(jié)構(gòu)力學模型條件下，初次來壓步距可由式(1)求出［7］。

式中，mz為基本頂厚度，m;σ 為巖梁抗拉強度，MPa;γ 為巖梁容重，kN/m3。

以85201 工作面數(shù)據(jù)計算，基本頂厚度mz=21.5m，σ=7.62MPa，γ=25kN/m3，可得初次來壓步距為L0=114m。因此，需要進行強制放頂。

2.2 大采高堅硬頂板控制計算

在大采高堅硬頂板條件下，勢必形成懸臂梁的狀態(tài)，其懸臂長度計算公式為［7］

將已知數(shù)據(jù)帶入式(2)可得lf=46.7m。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學模型，在“給定變形”支護條件下，支架每米支護強度為［8，10］:

式中，mz1為直接頂厚度，3.5m;γz1為直接頂容重，25kN/m3;mz2為基本頂厚度，21.5m;γz2為基本頂容重，25kN/m3;lf為懸臂梁長度，46.7m;lk為控頂距，3.6m。

由此可以看出，在極限懸臂梁的條件下，每米支護強度大大高于實際的支護強度，而不存在懸臂梁的條件下，其支護強度為0.63MPa。因此，必選采用端部強制放頂方案，以確保直接頂不能形成較大的懸梁結(jié)構(gòu)。

3 45201 和45202 工作面強制放頂

3.1 放頂基本參數(shù)

3.1.1 放頂高度確定

根據(jù)工作面采高，頂板垮落高度以充滿整個采空區(qū)為宜，同時結(jié)合工作面開切眼沿底板掘進，則直接頂放頂厚度為:

式中，h冒為直接頂能全部充填采空區(qū)的冒落高度，m;h采為工作面采高，取2.8m;c 為巖石碎脹系數(shù)，取值為1.1～1.3，本文取1.3。

經(jīng)計算，h冒=10m，取炮眼垂深13.5 m＞h冒，則能滿足要求。

3.1.2 最小抵抗線的確定

根據(jù)工作面實際賦存情況、爆破經(jīng)驗數(shù)據(jù)和炸藥參數(shù)，最小抵抗線取2.0～4.0m。

3.1.3 放頂炮眼孔數(shù)和組數(shù)的確定

按照采空區(qū)充填合理，同時兼顧裝藥和打炮孔方便的原則，確定放頂炮眼的孔深、分組和個數(shù)等，見表1。

表1 45201 及45202 綜采工作面放頂炮孔參數(shù)

炮眼垂直間距d=cosα × l=8.57(m)，l 為炮眼眼口間距，取8m;α 為炮眼仰角，取45°。

3.2 強制放頂?shù)V壓顯現(xiàn)特點及效果分析

同5－2上煤層工作面相比，5－2 煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)有來壓較急促猛烈的特點。在來壓時工作面支架連續(xù)發(fā)出嘎嘎聲，支架活柱迅速收縮。根據(jù)現(xiàn)場觀察資料，2011年8 月16 日，45201 工作面推至離切眼884m 處，夜班1:48，工作面129號架附近來壓，在之后的20min 時間內(nèi)，活柱(左)縮量為100mm。其中前4min 下縮了75mm，至2:08 時，每分鐘下縮約2mm。在1 個來壓周期中，壓力處于峰值時間持續(xù)較長，壓力平穩(wěn)期持續(xù)時間較短，甚至消失。

45202 綜采面自2012年3 月24 日中班開始試采，至26 號早班15 點，共推進4 刀，采空區(qū)走向懸頂距離為4.8m。經(jīng)檢查評估后，開始裝藥。3月27 日晚21 點成功放炮。經(jīng)檢查，除工作面兩端頭各4 架采空區(qū)頂板未落外，中部也有4 處共20架頂板未落，僅占采空區(qū)傾斜長度的12%。由于中部未落區(qū)頂板比較完整，推測有3 個炮眼未爆。

2012年3 月28，29 號早班各割煤2.4m，至29 號中班，除機尾剩余8 架頂板未落外，其余地段采空區(qū)頂板均已垮落。工作面切眼強制放頂取得了理想的預期效果。

4 強制放頂方案優(yōu)化設(shè)計與施工

85201 工作面直接頂為3.5m 的泥巖，垮落后不能完全充填采空區(qū)，而其基本頂為細砂巖，硬度及厚度極大，會導致工作面來壓步距及礦壓顯現(xiàn)比較強烈，頂板控制難度大，極易引發(fā)次生災害。根據(jù)工作面的實際情況，推進初期階段需要進行人工強制放頂，結(jié)合在四采區(qū)放頂?shù)某晒?，針對具體頂板和支架的具體情況，優(yōu)化爆破的各項參數(shù)，使之減小采空區(qū)基本頂懸頂?shù)拈L度，通過初次來壓的強制放頂，滿足采空區(qū)冒落支撐點的“給定變形”條件，以保證工作面的安全高效開采。

4.1 放頂基本參數(shù)

4.1.1 炮眼布置及材料消耗

綜合考慮各種因素，共布置31 個孔，切眼內(nèi)炮眼呈“一”字型布置，垂深5.5～20.8m，切眼內(nèi)炮眼中線距離切眼中心線1.5m，1～8 號孔距為8m 和9～31 號孔距為10m，見圖1 和圖2 (l 為炮眼間距)，炮眼特征見表2，材料消耗見表3。

圖1 炮眼布置

圖2 炮眼平面放大

4.1.2 設(shè)備配備

炮眼采用全液壓坑道鉆機施工，鉆頭直徑為80mm，成孔直徑最終為90mm。

4.1.3 裝藥結(jié)構(gòu)

爆破采用水膠炸藥，雷管采用符合煤安標志的毫秒延期電雷管并按串聯(lián)布置，起爆方式采用延期雷管導爆索起爆。裝藥系數(shù)為0.7 左右，每米炮眼裝藥量約為3.6kg，炮泥裝填系數(shù)約為0.3，炮泥采用黃泥制作，如圖3 所示，圖中L 為炮眼長度。

圖3 裝藥方式示意

4.2 施工要求

(1)炮眼采用雙雷管雙導爆索引爆，連續(xù)耦合方式裝藥，兩個雷管在孔口采用并聯(lián)連接，并用木塞固定，采用并聯(lián)回路。

(2)嚴格按照設(shè)計要求施工炮眼，并采取濕式打眼;裝藥和放炮前必須切斷所有相關(guān)電器設(shè)備電源。

(3)每次裝藥和放炮前必須對工作面和回風巷及放炮地點的瓦斯和煤塵濃度進行檢測，并在放炮前對工作面和回風巷及整個回風系統(tǒng)內(nèi)的煤塵進行徹底清洗。

表2 炮眼特征

表3 材料消耗

(4)放炮前所有人員必須撤至工作面膠帶巷內(nèi)，炮煙回風系統(tǒng)內(nèi)嚴禁有人，放炮人員必須站在距放炮地點500m 以外的工作面膠帶巷內(nèi)進行放炮工作。

(5)放炮前工作面所有支架需在同一平面并界定良好，初撐力達到額定工作阻力80%以上，超前支護齊全完好達到設(shè)計要求，否則不得放炮。

(6)在工作面開切眼煤壁處打孔開始裝藥，裝藥前先清凈炮眼，用直徑0.7m，長度1.5m 的木棒將藥卷、炮泥和導爆索裝入炮孔內(nèi)，同時，藥包要推至孔底，裝緊裝實，并用黃泥充填密實。

(7)放炮實行分組放炮，先放8 個掏槽眼，接著輔助眼，輔助眼每3 個1 組;要根據(jù)炮眼的性質(zhì)，使用不同段號的雷管，但每個炮眼內(nèi)使用的2個雷管段號必須相同。

(8)整個強制放頂工作結(jié)束后，有毒有害氣體和粉塵濃度達到規(guī)程要求后，工作人員方可進入工作面正常工作。

5 結(jié)論

針對大采高工作面頂板的特殊條件(懸頂達到極限跨度時，往往發(fā)生突變失穩(wěn)，造成采場動壓沖擊，壓死支架)，結(jié)合三道溝煤礦綜采工作面的實際情況及礦壓顯現(xiàn)特點，采用理論分析，建立了堅硬頂板弱化模型及方案，分析了強制放頂?shù)牧W特性，確定了大采高工作面切巷強制放頂主要參數(shù)。通過在85201 工作面的實施，削減了38%的炮眼數(shù)量，降低了27.9%的炸藥使用量，形成了一套較為完善的強制放頂弱化技術(shù)，經(jīng)過現(xiàn)場實踐檢驗，達到了理想的爆破效果，取得了較好的經(jīng)濟效益，為以后類似工作面強制放頂設(shè)計提供了重要依據(jù)，并為實現(xiàn)包括大采高工作面的安全高產(chǎn)高效開采提供了可靠的技術(shù)保障。

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