某綜采工作面初采期間的頂板控制技術(shù)

劉曉強(qiáng) 何 毅 劉 濤 王大威

(山西江陽工程爆破有限公司)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，爆破技術(shù)的發(fā)展越來越精細(xì)化、科學(xué)化，爆破技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用得到廣泛的發(fā)展，尤其在控制頂板來壓方面，爆破技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，通過爆破技術(shù)可有效控制初次來壓步距和初次來壓強(qiáng)度[1]，可有效防治頂板來壓時(shí)的颶風(fēng)災(zāi)害，大大減小人員傷亡和設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

某礦3#煤頂板由中砂巖或中砂巖細(xì)砂巖所組成，總體較硬，且會產(chǎn)生強(qiáng)烈的頂板來壓，厚17.32～26.28 m，中砂巖平均厚19.25 m，中砂巖、細(xì)砂巖所組成的巖層平均厚25.41 m。煤層埋深為145.72～164.28 m，平均為152 m，覆巖容重取25 kN/m3。現(xiàn)準(zhǔn)備開采3#煤層盤區(qū)首采工作面，采高為3.5 m，工作面長240 m。巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

根據(jù)關(guān)鍵層理論可知，當(dāng)老頂賦存條件不同時(shí)，初次來壓步距的預(yù)測結(jié)果也不同。

當(dāng)基本頂為19.25 m中砂巖時(shí)，由于砂巖頂板較厚，在計(jì)算初次來壓步距時(shí)，應(yīng)考慮為嵌固厚梁模型，上部有效載荷巖層厚18.2 m，均布載荷為0.455 MPa。

此時(shí)，初次來壓步距可按式(1)計(jì)算[2]:

L0=h·(2σt/q)1/2,

(1)

式中,L0為初次來壓步距，m；h為基本頂厚度，m；σt為抗拉強(qiáng)度，MPa；q為均布載荷，MPa。

計(jì)算得出L0=130 m。

當(dāng)基本頂為25.41 m的中砂巖、細(xì)砂巖，根據(jù)關(guān)鍵層理論預(yù)測該工作面的初次來壓步距受煤層上部巖層的影響，總厚度為28.37 m，均布載荷數(shù)值為0.709 MPa。

若把煤層上部12.18 m厚中砂巖作為工作面老頂(基本頂)，則初次來壓步距約67.84 m；若把煤層上部中砂巖和細(xì)砂巖共同作為基本頂，厚25.41 m，等效抗拉強(qiáng)度為9.39 MPa，則初次來壓步距約130.73 m。

綜合以上預(yù)測分析結(jié)果，該工作面初次來壓步距在67.84～130.73 m?？紤]安全方面與地質(zhì)條件，該工作面的初次來壓步距在85～105 m，初次來壓步距較大，該工作面將會有強(qiáng)烈的初次來壓,必須治理。

2 頂板爆破預(yù)裂強(qiáng)放方法

由于初次來壓步距較大，初次來壓時(shí)將會給礦井帶來嚴(yán)重的颶風(fēng)災(zāi)害，威脅井下工人的生命安全。此工作面頂板中砂巖的硬度較大、厚度大，整體性較好，采用深孔預(yù)裂爆破方法處理頂板，對縮短初次來壓步距的效果不明顯，勢必造成老頂長時(shí)間懸頂，不易垮落[3-4]。因此，采用切眼(工作面)預(yù)裂斷頂和兩巷預(yù)裂斷頂相結(jié)合的爆破方案，以增強(qiáng)頂板的預(yù)裂爆破處理效果[5]。

2.1 綜采面切眼(工作面)頂板深孔預(yù)裂爆破

由于該工作面采高為3.5 m,采用采高的3倍[5]作為處理頂板高度的原則，即10.5 m。工作面長240 m，在靠近聯(lián)巷側(cè)距中線1 m處、平行切眼(工作面)長度方向布置一排鉆孔，孔間距為14 m,選用φ110 mm鉆頭,因頂板處理的垂直高度為10.5 m，考慮到裝藥方便,采用30°仰角鉆孔，則切眼(工作面)內(nèi)炮孔的長度為21 m，炮孔水平投影長度為18.19 m，切眼(工作面)頂板預(yù)裂爆破的鉆孔布置見圖1。

圖1 切眼頂板爆破鉆孔布置(單位：mm)

在切眼(工作面)內(nèi)240 m范圍內(nèi)進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破放頂，總共布置18個(gè)鉆孔。由于煤層上部砂巖較厚，并且硬度較大，故選用乳化炸藥?？紤]到炮孔直徑為110 mm，選用藥包(卷)規(guī)格為φ100 mm×500 mm。為增加預(yù)裂爆破效果，裝藥系數(shù)取0.6，炮泥裝填系數(shù)取0.4。炮孔的總長度為21 m，裝藥長度為12.6 m，炮泥堵塞長度為8.4 m，線裝藥量為5.97 kg/m，每孔總裝藥量為75.22 kg。雷管選用煤礦許用毫秒延期電雷管，并保證最后一段雷管延期不超過130 ms。

2.2 綜采面兩巷預(yù)裂爆破斷頂

為防止兩巷炮孔與切眼(工作面)炮孔貫穿并達(dá)到較大范圍的預(yù)裂效果，在兩巷內(nèi)距離切眼40 m位置處各打2個(gè)炮孔。鉆機(jī)自身高度取1.5 m，為保證爆破效果和安全施工，下部底層1#孔距煤層的最終高度為6.95 m；頂層2#孔距煤層的最終高度為14.2 m，炮孔底部距離切眼(工作面)煤壁水平距離均為52 m，鉆孔的中心線與煤壁在水平面的投影相垂直，巷道寬度取4.5 m。對于底層1#孔，仰角取9°，鉆孔長度為52.65 m；對于頂層2#孔，仰角取16°，鉆孔長度為54.10 m。鉆孔布置見圖2。

圖2 兩巷斷頂爆破鉆孔布置(單位：mm)

裝藥系數(shù)取0.6，炮泥裝填系數(shù)取0.4，并保證炮孔的填塞質(zhì)量。兩巷內(nèi)1#炮孔裝藥長度為31.59 m，炮泥長度21.06 m，線裝藥量取5.97 kg/m，該孔裝藥量為188.59 kg。2#炮孔裝藥長度為32.46 m，炮泥長度為21.64 m，線裝藥量取5.97 kg/m，該孔裝藥量為193.77 kg。

3 工作面強(qiáng)制爆破初次放頂和初次來壓預(yù)防

為達(dá)到放頂效果，防止初次來壓時(shí)壓力較大而產(chǎn)生颶風(fēng)災(zāi)害事故，進(jìn)行3次放炮。

第一次放炮時(shí)間為工作面推進(jìn)10 m時(shí)，采用工作面和兩巷內(nèi)布置炮孔的方式。工作面機(jī)尾推進(jìn)至40 m時(shí)，進(jìn)行第二次放炮，第二次放炮時(shí)，工作面共布置了7個(gè)斜長15 m、傾角30°的炮孔，分別等距離(14 m)布置在靠近機(jī)尾段的7個(gè)支架的大柱上方，并在回風(fēng)順槽(機(jī)尾側(cè))內(nèi)布置2個(gè)炮孔，距離工作面35 m，炮孔斜長50 m，傾角為25°，第二次放炮后，工作面支架上部的矸石充填效果較好，頂板的垮落高度為7～10 m。

根據(jù)預(yù)測，工作面推進(jìn)85 m后會發(fā)生初次來壓，在工作面推進(jìn)至80 m時(shí)，對工作面機(jī)尾附近4個(gè)支架后部的采空區(qū)頂板進(jìn)行深孔爆破。每個(gè)支架上方布置2個(gè)孔，炮孔斜長分別為50，40 m，垂深分別25，20 m，炮孔傾角均為30°，炮孔裝藥系數(shù)為0.6。鉆眼時(shí)，8個(gè)孔中有6個(gè)塌孔，說明經(jīng)過第一次和第二次放炮后，工作面及采空區(qū)上部的砂巖頂板已經(jīng)可以自然冒落。此時(shí)僅對已鉆成的2個(gè)炮孔進(jìn)行爆破。放炮后，該處采空區(qū)頂板垮落高度在11 m以上，說明在工作面長度范圍內(nèi)的基本頂均已跨落，為隨采隨冒創(chuàng)造了有利的自然條件，垮矸跟架及時(shí)，基本上沒有大于2 m的懸頂現(xiàn)象，順利度過該作面初次來壓。

4 防治效果分析

工作面開始推進(jìn)時(shí)，在工作面長度的中部設(shè)置1條測線，共3套支架，支架的平均載荷與推進(jìn)距離的變化曲線見圖3。

第一次放炮后，工作面機(jī)頭段的頂板垮落高度約6 m，但是在機(jī)尾段的12 m范圍內(nèi)存在部分頂板未垮落的現(xiàn)象，根據(jù)支架載荷分析表明，第一次放炮后，支架載荷明顯下降，隨工作面的推進(jìn)，支架載荷增加的速度有所下降。

第二次放炮后，機(jī)尾段的支架、工作面支架上部的矸石充填效果較好，頂板的垮落高度為7～10 m，支架載荷趨于緩和下降。

第三次放炮后，支架載荷無明顯升高，說明經(jīng)過前兩次放炮后，頂板已基本自行跨落。

推進(jìn)到90 m初次來壓時(shí)，支架載荷雖然達(dá)到了安全閥開啟壓力，表現(xiàn)明顯的來壓現(xiàn)象，但是頂板初次來壓時(shí)并沒有沖擊載荷出現(xiàn)，來壓過程平靜緩和，完全消除了颶風(fēng)傷人和損壞設(shè)備事故的隱患，預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂有效預(yù)防因初次來壓步距較大而引起安全事故。經(jīng)過3次強(qiáng)制放頂，工作面頂板垮落基本上隨著液壓支架隨采隨冒，頂板垮落高度在6 m左右。

圖3 工作面支架載荷與推進(jìn)距離變化曲線

5 結(jié) 論

對堅(jiān)硬頂板情況下盤區(qū)內(nèi)首采工作面開采時(shí)，首先通過計(jì)算并結(jié)合實(shí)際確定初次來壓步距范圍，在切眼(工作面)和兩巷進(jìn)行3次爆破強(qiáng)制預(yù)裂放頂，工作面的第一次放炮后，除機(jī)尾外，其他地方預(yù)裂爆破效果良好；第二次放炮后，工作面機(jī)尾段的架后矸石充填效果較好；工作面長度范圍大部分放頂效果良好，頂板斷裂或產(chǎn)生足夠裂隙，老頂能夠冒落，達(dá)到了安全開采的目的。在頂板初次來壓時(shí)沒有出現(xiàn)沖擊載荷，來壓過程平靜緩和，完全避免了颶風(fēng)傷人和損壞設(shè)備事故，初次來壓的災(zāi)害預(yù)防效果非常明顯。切眼(工作面)和兩巷預(yù)裂斷頂聯(lián)合技術(shù)可為今后綜采工作面首采期間的頂板初次來壓控制提供參考。