堅硬頂板綜采工作面爆破放頂技術研究

趙晉軍

(山西晉煤集團沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000)

堅硬難垮落頂板指的是巖石強度高、無明顯裂隙、承載能力強、開采后懸露面積大不易垮落的頂板[1-4]。堅硬難垮落頂板礦壓顯現(xiàn)特征和普通頂板相比有巨大差別，給礦井安全生產(chǎn)帶來巨大隱患。對堅硬頂板的處理，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得諸多研究成果。閆少宏在分析頂板處理原則和水力壓裂定向分層機理的基礎上，提出了高壓注水，人為將頂板分層，控制頂板來壓強度的方法[5]；馮彥軍利用現(xiàn)場實驗，研究了水力壓裂對頂板的影響和水力壓裂的特點[6]；陳自新分析了堅硬難垮落頂板的力學性質(zhì)和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，通過對處理方法的對比，發(fā)現(xiàn)超前深孔松動爆破效果更好[7]；潘超利用FLAC數(shù)值模擬和聲發(fā)射，研究了水力壓裂過程中，人為弱面對頂板裂紋擴展機理的影響[8]；張振配認為，堅硬頂板經(jīng)過水力壓裂處理后，可達到弱化、減弱強頂板度，破壞頂板完整性的效果[9]；蘇波研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過水力壓裂處理后，隨著工作面的推進，頂板逐漸分層垮落，初次來壓減弱[10]；任俊利用二氧化碳致裂技術，對頂板進行弱化處理后，工作面周期來壓步距減小，來壓強度減弱[11]。從上述研究成果可以看出，國內(nèi)專家學者對注水弱化處理堅硬頂板的研究較多，對爆破弱化的研究少。本文以山西胡底礦4304工作面為研究背景，在分析頂板狀態(tài)的基礎上，利用數(shù)值模擬分析了工作面礦壓顯現(xiàn)特征，利用超前深孔松動爆破技術對頂板進行處理，取得良好的治理效果。

1 工程概況

山西胡底礦4304工作面位于泮溝南向斜軸部，整體中部低東西高，走向長為1080.3m，傾斜長220.7m。工作面前250m為下山回采，此處至終采線為上山回采，回采過程中局部頂板節(jié)理比較發(fā)育。所采3#煤層結構簡單，底板平均標高+505m，地表標高約+979m；煤層傾角1°～9°，平均4°，平均煤厚5.54m。工作面的直接頂為2.08m厚的砂質(zhì)泥巖，強度較低，開采后易垮落，但垮落后的破碎巖石并不能充滿采空區(qū)；向上為厚度8.04m的中細砂巖。頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)見表1。

表1 巖層力學參數(shù)表

從表1看出，工作面基本頂為單軸抗壓強度107.96MPa的堅硬頂板，不易垮落。在工作面初采期間，基本頂?shù)牟患皶r垮落易造成頂板事故，例如引發(fā)“颶風”和回風巷瓦斯超限等問題。因此需對頂板進行處理，減小基本頂?shù)某醮慰迓洳骄啵员ＷC礦井的生產(chǎn)安全。

2 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律數(shù)值模擬研究

2.1 模型的建立

以胡底礦4304工作面為背景，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，數(shù)值模型中頂?shù)装宓暮穸纫怨こ虒嶋H巖層厚度確定，頂板厚度為60m，底板為16m。4304工作面所在煤層的實際埋深約450m，上覆巖層利用等效載荷來代替。等效載荷按式(1)進行計算，各巖層的物理力學參數(shù)以實驗室測定的結果為準。

p=∑Hρg

(1)

式中，H為煤層上覆巖層的厚度，取450m；ρ為巖石密度，取2500kg/m3；g為重力加速度，取9.81m/s2。

由于工作面所屬煤層傾角小，故數(shù)值計算中，以水平煤層代替；模型四周水平位移固定，底部固定垂直位移；主應力沿坐標軸方向，大小相等；計算遵循摩爾-庫倫準則。依據(jù)上述內(nèi)容建立模型，模擬隨工作面推進頂煤頂板垮落狀況和垂直應力分布狀況，推進距離分別為：15m、22m、30m、37m、45m、100m、150m、200m。

2.2 數(shù)值計算結果與分析

隨工作面推進，頂板破壞狀況和垂直應力分布狀況如圖1所示。圖1中，左側為頂煤頂板破壞狀況，右側為垂直應力分布狀況。

圖1 隨工作面推進頂煤頂板垮落和垂直應力分布圖

從圖1可以看出：當工作面推進了15m時，采空區(qū)上方的1.5m偽頂部分頂板已開始破壞，直接頂尚未發(fā)生破壞；當工作面推進22m后，采空區(qū)1.5m偽頂發(fā)生冒落，約3m高的老頂發(fā)生破壞，跨落后，采空區(qū)不能完全充滿；在工作面推進30m后，采空區(qū)1.5m偽頂發(fā)生破壞，約4m高的老頂發(fā)生破壞，仍不能完全充填采空區(qū)；推進37m后，采空區(qū)破壞范圍擴大，延伸到細砂巖層，在砂巖和粉砂巖層產(chǎn)生離層，可以判斷，此時老頂開始折斷，發(fā)生大面積垮落，為初次來壓；在推進45m、100m、150m和200m后，采空區(qū)上方頂板的垮落狀態(tài)基本相同，老頂垮落完全，其上方巖層隨之破壞。

從圖1還可以看出：當工作面推進15m時，煤壁前方應力峰值的位置不明顯，在煤壁前3m頂板位置出現(xiàn)較大的應力集中，最大數(shù)值約12.6MPa；工作面推進22m時，距煤壁約3m的位置出現(xiàn)明顯應力峰值，數(shù)值約13.5MPa，煤壁上方頂板由于頂板內(nèi)部彈性變形引起的應力集中產(chǎn)生約13.9MPa的應力峰值；工作面推進30m時，在煤壁前方4m的位置出現(xiàn)約16MPa的應力峰值，應力峰值的增大表明產(chǎn)生了更加明顯的應力集中；當工作面推進了37m時，由于老頂斷裂，壓力減小，彈性能釋放，應力峰值位置前移，應力集中范圍減小；隨著工作面的推進，在推進45m、100m、150m和200m時，應力峰值分布范圍集中，數(shù)值變化小，每20m會有一定緩和，預測周期來壓步距約20m。

綜合上述分析，在推進37m時，老頂發(fā)生折斷，可以認為，此時發(fā)生初次來壓，由于此時頂板的大面積懸露，頂板垮落容易引發(fā)較為嚴重的頂板事故，因此，需要對頂板進行弱化處理，以較小頂板懸露。

3 爆破放頂技術

3.1 頂板處理高度的確定

頂板爆破處理，達到完全充填采空區(qū)的目的，需滿足式(2)：

Hx×ξ=Hc+Hx

(2)

式中，Hx為頂板崩落厚度，m；Hc為工作面采高，取5.54 m；ξ為巖石碎脹系數(shù)，取1.5。

將上述數(shù)據(jù)帶入式(2)計算得：Hx=11.08m，即頂板上方需要處理的垂直高度范圍為11.08m。工作面上方頂板由厚度分別為2.08m和8.04m的砂質(zhì)泥巖和細粒砂巖組成，因此頂板處理高度約兩者之和，取10m。

3.2 爆破方案

3.2.1 爆破方式

根據(jù)工作面頂板處理實踐，結合其它類似頂板處理經(jīng)驗，4304工作面采用深孔、淺孔相結合的爆破方式進行處理，并提出兩種爆破方案，首先將工作面分為5個區(qū)域，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，如圖2所示。具體爆破方案如下：①方案一：淺孔布置區(qū)域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ)+深孔布置區(qū)域(Ⅲ)；②方案二：淺孔布置區(qū)域(Ⅰ、Ⅴ)+深孔布置區(qū)域(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。

圖2 4304切眼布孔區(qū)域示意圖(mm)

與方案一相比，方案二增加了深孔布置孔數(shù)：在深孔布置區(qū)域(Ⅲ)的兩側Ⅱ、Ⅳ區(qū)域每排兩側各增加4個炮孔，共增加8個炮孔。增加的炮孔仰角設計為60°，炮孔深度12m，裝藥長度7m，封孔長度5m；淺孔爆破的方式與方案一相同。方案一為基本選擇，由于方案二增加了深孔炮孔數(shù)量，對基本頂?shù)钠茐淖饔酶茫跁r間及現(xiàn)場施工允許的條件下，應盡量采用方案二。

3.2.2 淺深爆破孔布置

待綜采工作面推出開切眼后，為保證4304工作面回采過程中采空區(qū)及兩巷三角區(qū)不出現(xiàn)大面積懸頂，采取在工作面機頭部、工作面架間、保護煤柱側打眼進行補充爆破，對頂板進行弱化和松動處理，方案二淺深孔爆破炮孔布置如圖3所示。

圖3 方案二淺深孔爆破炮孔布置示意圖

從圖3可以看出，工作面中間部位為深孔爆破區(qū)，兩側為淺孔爆破區(qū)。工作面機頭、工作面架間、保護煤柱側具體爆破措施如下：

1)機頭部爆破措施：提前在機頭架至切眼后密閉段由外向里打設兩排木垛，要求木垛應打在巷道中部，木垛之間留出打眼及爆破作業(yè)空間。炮眼傾斜指向工作面，施工8～10m深的炮眼，眼深較小時，應保證炮眼角度與豎直方向在55°以上(保證頂板處理垂度在6m以上)，炮眼走向間距2m左右(即每兩個木垛之間施工1個炮眼)，進行爆破，以達到對工作面機頭段頂板進行弱化的目的。

表2 機頭部炮孔參數(shù)

2)工作面架間爆破措施：在工作面架間向后施工6～8m深的炮眼，炮眼位置應根據(jù)當班作業(yè)時采空區(qū)頂板垮落情況而定。考慮到工作面支架及其他設備安全，架間爆破時藥卷應使用普通0.2kg藥卷配合同廠同期的毫秒延遲電雷管，爆破時一次爆破相鄰的3～5個眼。

表3 工作面架間炮孔參數(shù)

3)運輸巷與泄水巷保護煤柱側爆破措施：工作面機頭每推進2m，由綜采一隊使用普通藥卷，在該段保護煤柱3～4m高度斜向后沿保護煤柱施工3m深的炮眼，進行爆破，減弱該段煤柱對工作面頂板的支撐強度。

表4 保護煤柱側炮孔參數(shù)

4 爆破效果分析

4.1 切眼拉槽爆破直觀效果

工作面頂板爆破弱化處理后，直接頂?shù)目迓溆蓹C尾向機頭方向發(fā)展。工作面初次來壓頂板垮落后，工作面直接頂?shù)目迓洳骄酁?3.8～16.9m，平均15.4m，小于模擬預測長度；工作面來壓強度不大，但是其動載系數(shù)較大。整個工作面來壓強度不大，初采期間未觀測到煤壁大范圍片幫、煤炮等明顯來壓現(xiàn)象，且未出現(xiàn)回風巷瓦斯超限問題。

4.2 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析

在工作面推進期間，利用尤洛卡公司的支架壓力記錄儀對工作面支架阻力進行監(jiān)測，測站觀測的支架為19#、20#、21#、49#、50#、66#、79#、80#、81#、96#、109#、110#、111#。工作面礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出：基本頂呈現(xiàn)分段來壓的特點，機尾部初次來壓步距為19～26.5m，工作面中部為31～47.5m，工作面上部為52.8～56m；工作面支架的初撐力較低，且在非來壓期間的平均工作阻力低。

綜上分析可知，整個工作面整體來壓步距、來壓強度不大，呈現(xiàn)分段來壓的特點，本次爆破放頂取得了較為滿意的效果。

5 結 論

1)針對胡底煤礦4304大采高工作面堅硬頂板的治理取得了較好的效果，工作面直接頂?shù)目迓洳骄酁?3.8～16.9m，平均15.4m，比數(shù)值模擬預計的未經(jīng)爆破處理的37m大大減小。

2)工作面基本頂來壓呈現(xiàn)分段的特點。工作面機尾和中部位置受陷落柱的影響，初次來壓步距較小，分別為19～26.5m和 31～47.5m，工作面上部機頭段的步距為52.8～56m；整個工作面來壓強度不大，并未出現(xiàn)大范圍片幫和回風巷瓦斯超限等問題，本次爆破放頂取得了較為滿意的效果。