火成巖頂板礦壓規(guī)律計(jì)算分析及其控制技術(shù)分析

于德宇

摘要：提高火成巖頂板控制技術(shù)，對加大采煤工作面頂板管理力度意義重大，而掌握礦壓規(guī)律則是采取科學(xué)控制措施的前提。文章主要論述了火成巖頂板礦壓規(guī)律的計(jì)算理論方法，針對工況提出了有效的控制技術(shù)，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)的實(shí)踐提供些許參考。

關(guān)鍵詞：火成巖頂板；礦壓規(guī)律；計(jì)算理論；控制技術(shù)；采煤工作面

中圖分類號：TD32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）30-0136-02

火成巖頂板巖層的存在給采煤工作面頂板的控制工作增加了諸多困難，包括煤壁出現(xiàn)嚴(yán)重片幫問題、頂板中懸頂面積增大、煤和瓦斯突出頻率增大、支護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等。為解決這些控制難題，只有對火成巖頂板礦壓規(guī)律進(jìn)行科學(xué)分析和計(jì)算，才能對癥下藥，采取合理的措施，以提高煤采掘過程的效率和安全。

1 火成巖頂板礦壓規(guī)律計(jì)算理論分析

煤礦綜采面火成巖頂板的形成通常是由于火成巖的局部入侵所致，雖然火成巖入侵屬于比較普遍的地理現(xiàn)象，但是形成厚度較大的火成巖頂板還是較為罕見，現(xiàn)階段在淮南、淮北和華北的部分煤礦中已被揭示，對巖層板礦壓規(guī)律的研究也受到業(yè)內(nèi)的普遍重視。

當(dāng)前的礦壓規(guī)律分析理論核心內(nèi)容主要包括三個(gè)方面，分別為測定基本頂巖層的物理力學(xué)性質(zhì)、構(gòu)建基本頂巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型、對基本頂極限跨度和支架荷載的測定?？偨Y(jié)國內(nèi)外學(xué)者專家的研究成果，基于薄板礦壓理論，計(jì)算和分析火成巖頂板的礦壓規(guī)律可以取得較為理想的效果。采場薄板礦壓理論的主要內(nèi)容是將綜采工作面上部分的頂板巖層處于尚未產(chǎn)生斷裂的時(shí)候，看成是薄板結(jié)構(gòu)，當(dāng)產(chǎn)生斷裂之后就看成為鉸接板，利用設(shè)置假設(shè)條件和狀況，根據(jù)彈性薄板的相關(guān)理論，在采掘過程中建立和工作面具體情況相符合的力學(xué)模型體系，運(yùn)用力學(xué)模型來對火成巖頂板性質(zhì)特征進(jìn)行定性和定量的雙重分析，并通過巖層的來壓步距（即極限跨度）和來壓強(qiáng)度（即支架荷載）的數(shù)據(jù)計(jì)算，得出各項(xiàng)指標(biāo)的準(zhǔn)確值，以此作為判斷火成巖頂板礦壓規(guī)律的依據(jù)。

煤礦開采工作面的頂板巖層雖然不是嚴(yán)格意義上的理想的彈性力學(xué)連續(xù)性介質(zhì)，這是因?yàn)轫敯鍘r層中具有節(jié)理發(fā)育、裂隙裂縫等特點(diǎn)，并且在采掘過程中頂板的受力狀況也是處于不斷變化之中。然而正是由于回采過程中工作狀態(tài)處于不斷變化中，這和彈性薄板的特性有著類似特征，所以可以將火成巖頂板巖層的作業(yè)情況模擬為理想的彈性薄板，利用薄板理論計(jì)算礦壓就變得比較容易。同時(shí)，相關(guān)的研究也表明，頂板巖層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定時(shí)，其內(nèi)部的節(jié)理發(fā)育特征，不會給巖層的受力變形帶來影響，也不會對頂板破斷形式產(chǎn)生影響，只和頂板剛度有關(guān)。

2 火成巖頂板控制技術(shù)分析

針對煤層采掘作業(yè)特點(diǎn)，提高對火成巖頂板的控制技術(shù)，首先要科學(xué)準(zhǔn)確地選定技術(shù)參數(shù)，其次是要做好各個(gè)部位的放頂控制措施，以確保整個(gè)采掘過程的高效順利進(jìn)行。

2.1 初次放頂控制技術(shù)

初次放頂?shù)膮?shù)選擇對提高技術(shù)效用意義重大。根據(jù)礦壓理論可知，當(dāng)強(qiáng)制放頂過程中，煤矸石沒有填滿采空區(qū)，則開采工作面支撐結(jié)構(gòu)的單體支架阻力要大于10000kN，此時(shí)的爆破巖層碎脹系數(shù)為1.25，但取值為1.30時(shí)，煤層采掘高程為3米，放頂高度大于9米，則能夠達(dá)到采空區(qū)煤矸石和頂板的接頂效果。在該作業(yè)中，初次放頂?shù)母叨热?0米可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的。根據(jù)開采工況，最小抵抗線的取值范圍在2～4米之間，放頂?shù)慕M數(shù)和孔深根據(jù)作業(yè)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件來確定，炮孔的深度控制要綜合考慮對開采作業(yè)影響程度以及裝藥的難易程度。該工程中孔深為18米，孔數(shù)為7個(gè)。影響炮眼的角度因素包括鉆機(jī)打孔的難易程度和鉆孔角度的變化，鉆孔時(shí)確保炮眼完整，每一炮眼之間的距離控制在200mm。裝藥深度不能超過炮眼深度的2/3，而封孔的長度一定要達(dá)到炮眼深度的1/3，導(dǎo)爆索長度的選擇和裝藥量成正比。炸藥采用二級煤礦允許使用的乳化炸藥，雷管則采用煤礦允許使用的電雷管，人工裝填炸藥，爆破的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行串聯(lián)方式，采取正向爆炸，通過毫秒雷管引爆導(dǎo)爆索，再引爆炸藥。

2.2 步距放頂控制技術(shù)

若初次放頂?shù)男Ч粔蚶硐?，尤其是頂板垮落程度不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則要對火成巖頂板實(shí)施步距放頂。根據(jù)火成巖頂板的巖石特點(diǎn)來確定參數(shù)，一般放頂?shù)牟骄嗳?0米，根據(jù)工況可做適當(dāng)調(diào)整。步距放頂?shù)哪康氖欠乐共删蚬ぷ髅娉霈F(xiàn)大面積懸板，因此要在兩個(gè)順槽中分別打一組孔，間隔相同的距離促使頂板產(chǎn)生斷裂。此時(shí)，對炮眼深度的選擇要依據(jù)工作面的具體情況，通常不應(yīng)超過工作面長度的一半。炮眼水平角度的確定也至關(guān)重要，由于步距放頂為的是將火成巖頂板進(jìn)行一定距離的切斷和破壞，所以炮眼的水平角度要適中，不可過大防止影響斷裂的效果，采用爆破時(shí)還要確保液壓支架不被損壞，所以炮眼的水平角度宜取15°，而仰角參數(shù)則根據(jù)孔深和最小抵抗線的長度來定。裝藥長度不能大于炮眼深度的2/3，而封孔的長度一定要超過炮眼深度的1/3，放炮的位置要和支架尾梁保持1.3米以上的距離，其他的技術(shù)參數(shù)和初次放頂技術(shù)參數(shù)相同。

2.3 采掘工作面局部放頂技術(shù)控制

為了充分確保綜采工作面局部位置穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)塌落現(xiàn)象，提高局部放頂技術(shù)水平非常關(guān)鍵。

采掘過程中兩個(gè)端頭懸板超出了預(yù)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就應(yīng)該采用端頭局部放頂方式，若懸板的面積小于50平方米，則不必放頂，當(dāng)其面積在50～100平方米范圍內(nèi)，為實(shí)現(xiàn)最佳的放頂效果，同時(shí)要依據(jù)采掘中懸板的實(shí)際大小，對孔的深度與角度進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

若采掘工作面的懸板超出了預(yù)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就應(yīng)該采用工作面局部放頂方式。首先，根據(jù)具體的開采環(huán)境選擇適宜的鉆機(jī)，一般情況下，工作面所打的孔都比較淺，深度皆在10米以內(nèi)，因此選擇輕便型鉆機(jī)即可，不僅鉆孔時(shí)便于搬運(yùn)，還可以縮短打孔的時(shí)間，減小成本的支出。其次，要確定鉆孔的具體位置，為了保證采掘過程順利進(jìn)行，通常在每1～2架打一個(gè)單層孔，若打孔時(shí)阻力較大，通過降低液壓支架的方式來增強(qiáng)力度或者將液壓支架稍向后退也能夠克服鉆孔的困難。再次，要根據(jù)實(shí)際需要選擇鉆孔和爆破的參數(shù)，由于鉆孔的位置通常在液壓支架之間，所以鉆孔的水平角度一般和采掘工作面的煤壁之間保持垂直角度，此時(shí)鉆孔的仰角則要控制在60°，相應(yīng)的炮眼的鉆孔深度則為7.5米，封孔長度取2.5米，裝藥長度取5米，總量為10千克，爆破的導(dǎo)火線采用8米單股導(dǎo)爆索，炸藥采用二級煤礦允許使用的乳化炸藥，可降低對采掘設(shè)備的損壞，雷管則采用煤礦允許使用的瞬發(fā)電雷管，運(yùn)用大串聯(lián)法完成聯(lián)炮過程。最后，要確定放炮的具體位置，一般選在液壓支架全部通過炮孔下放之后，周圍人員撤離后就可實(shí)施放炮爆破。

3 結(jié)語

綜上所述，提高火成巖頂板控制水平不僅為煤層采掘作業(yè)提供了更為便利的條件，同時(shí)降低了事故的發(fā)生率，為采掘人員營造了安全的作業(yè)環(huán)境，確保了采掘作業(yè)的順利進(jìn)行。在選擇控制方法時(shí)，要綜合考慮火成巖頂板礦壓產(chǎn)生規(guī)律和綜采工作面的工況，以充分確?？刂萍夹g(shù)的時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性。

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