綜采工作面堅(jiān)硬頂板超前松動(dòng)爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)實(shí)踐

李明欽

（陽(yáng)煤集團(tuán)三礦生產(chǎn)技術(shù)部 ，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 工程概況

某礦8210工作面可采走向長(zhǎng)度為1700m，傾斜長(zhǎng)度為163m，煤層均厚為5.5m，平均傾角為6°，平均含1～2層夾矸，直接頂為細(xì)砂巖，均厚2.3m，基本頂為中粗砂巖，均厚18.2m，工作面采用大采高綜合機(jī)械化采煤方法，由于工作面頂板為堅(jiān)硬頂板，根據(jù)相鄰8212綜采工作面資料顯示，在未對(duì)頂板采取任何措施時(shí)，回采過(guò)程中出現(xiàn)支架壓架事故且煤壁片幫現(xiàn)象頻繁發(fā)生，最大片幫深度達(dá)4m，工作面端面頂板的最大下沉量大1.1m，嚴(yán)重影響了工作面的回采，故為保障8210工作面回采工作的順利進(jìn)行，需對(duì)工作面頂板進(jìn)行提前處理。

2 基本頂回轉(zhuǎn)對(duì)支架及煤壁的影響規(guī)律

2.1 基本頂回轉(zhuǎn)對(duì)支架的影響

根據(jù)相關(guān)研究表明基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)對(duì)工作面支架支護(hù)強(qiáng)度、直接頂?shù)南鲁亮康挠绊懸?guī)律如圖1所示。

通過(guò)分析圖1（a）可知，當(dāng)大采高工作面直接頂?shù)南鲁亮吭诳煽胤秶鷥?nèi)時(shí)，支架的支護(hù)強(qiáng)度p會(huì)隨著基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角的增大而逐漸增大[1-2]，工作面支架支護(hù)強(qiáng)度的作用機(jī)理可近似用下式表達(dá)：

式中：p為支架的支護(hù)強(qiáng)度，MPa；Ez為直接頂?shù)膹椥阅Ａ浚琈Pa；dm為端面距，m；B為煤壁的片幫深度，m；∑h為直接頂厚度，m；θ為基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角，°；lz為支架的頂梁長(zhǎng)度，m；

圖1 基本頂回轉(zhuǎn)對(duì)液壓支架的影響

根據(jù)圖1（b）可知，在支架的支護(hù)強(qiáng)度保持不變時(shí)，直接頂?shù)南鲁亮繒?huì)隨著回轉(zhuǎn)角的增大呈現(xiàn)出線性增大的趨勢(shì)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要為當(dāng)支架的支護(hù)強(qiáng)度不發(fā)生變化時(shí)直接頂?shù)膲嚎s變形量也不會(huì)出現(xiàn)變化，進(jìn)而致使基本頂回轉(zhuǎn)角度的增大后直接頂?shù)南鲁亮勘厝粫?huì)逐漸增大，基本頂回轉(zhuǎn)對(duì)直接頂?shù)南鲁磷饔玫臋C(jī)理表達(dá)式為：

式中：Δy為頂板的下沉量，m；dm為端面距，m;B為煤壁的片幫深度，m;θ1為基本頂?shù)膲嚎s變形量，m；θ為基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角,°。

2.2 基本頂回轉(zhuǎn)對(duì)煤壁的影響

根據(jù)相關(guān)基于壓桿理論的研究表明[3-4]，煤壁發(fā)生片幫失穩(wěn)的變形量和煤壁的片幫深度的表達(dá)式為：

式中：Δh為煤壁片幫失穩(wěn)的臨界變形量，m；B為煤壁的片幫深度，m；θ為煤壁片幫深度與基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角，°；M為工作面采高，m；l為斷裂線至煤壁的距離，m；根據(jù)該礦大采高工作面周期來(lái)壓的距離為6m，支架頂梁的長(zhǎng)度為4.67m，基本頂斷裂線距煤壁l=1.33m，采高M(jìn)=5m，選取不同的基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角度代入式（3）中能夠得出隨著基本頂回轉(zhuǎn)角度的增大煤壁的片幫深度B也會(huì)逐漸增大，極限片幫深度趨于基本頂斷裂線至煤壁的距離，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)橹苯禹斚鲁亮康脑龃?，?dǎo)致基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)角度增大，從而煤壁受到直接頂?shù)淖鳂I(yè)會(huì)增大致使煤壁片幫深度會(huì)相對(duì)的增大。

3 超前松動(dòng)爆破技術(shù)方案與效果

3.1 超前松動(dòng)爆破方案

1）放頂步距。根據(jù)相鄰8212工作面的回采資料顯示，直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嗥骄鶠?5m，基本頂?shù)某醮魏椭芷趤?lái)壓分別約為50m和30m，結(jié)合上述基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)對(duì)液壓支架和煤壁片幫情況的影響，綜合分析上述因素后，確定初次放頂步距和周期放頂步距分別為25m和20m。

2）放頂孔垂深。工作面放頂孔的垂深Hf的表達(dá)式為：

式中：M為工作面的采高，m；Kp為巖石的碎脹系數(shù)；δ為頂板垮落的空隙，m；根據(jù)8210工作面的地質(zhì)情況取M=5.5m，Kp=1.4，δ=0.5m，將上述數(shù)據(jù)代入式（4）中能夠得出放頂孔的平均垂深應(yīng)不小于13m。

3）單位炸藥消耗量。對(duì)于單位體積的巖石所需要的炸藥消耗量qzy的表達(dá)式為：

式中：S為爆炸斷面面積，取為260m3；ke為炸藥的校正系數(shù)，取為525/P，f為巖石的堅(jiān)固系數(shù)，取為8，將上述數(shù)據(jù)代入式（5）中能夠計(jì)算得出單位炸藥量為0.23kg/m3。

4）最下抵抗線。松動(dòng)爆破漏斗的形式的最小抵抗線W，標(biāo)準(zhǔn)爆破的漏斗半徑rL的表達(dá)式分別如下：

式中：nL為松動(dòng)爆破漏斗的作用指數(shù)，取為0.75；ρ0為炸藥的密度，g/cm3；W'為標(biāo)準(zhǔn)爆破松動(dòng)漏斗的最小抵抗線，m；rb為裝藥半徑，m；rL為標(biāo)準(zhǔn)爆破漏斗的半徑 ，m；mjk=0.8～2；qzy為 單 位 炸藥 消 耗量 ，為0.23kg/m3，基于此能夠計(jì)算出松動(dòng)爆破漏斗的最小抵抗線W=4.3m。

5）鉆孔布置深度及層數(shù)。依據(jù)設(shè)計(jì)的放頂垂深和最小抵抗線數(shù)據(jù)，確定工作面周期放頂按照雙層進(jìn)行布置，切頂孔按照3層進(jìn)行布置，切頂孔的長(zhǎng)度為25m，放頂孔的深度為40m，具體放頂鉆孔和切頂鉆孔的布置的各項(xiàng)參數(shù)如圖2、圖3所示。

圖2 放頂鉆孔的布置的各項(xiàng)參數(shù)示意圖

圖3 切頂鉆孔布置的各項(xiàng)參數(shù)示意圖

6）周期放頂孔角度。根據(jù)圖2中周期放頂孔的的各項(xiàng)參數(shù)的表達(dá)式為：

式中：α1和α2分別為工作面周期放頂孔的數(shù)值角度，°；lz為支架頂梁的長(zhǎng)度，取為5.1m；L'為工作面周期放頂孔無(wú)裝藥段的最小長(zhǎng)度，取為16m；Lf為工作面周期放頂孔的長(zhǎng)度，取為40m；L1為工作面周期放頂孔的水平長(zhǎng)度，取為37.8m；β1為工作面周期放頂孔的水平角度，°；據(jù)此得出 α1=25°、α2=18°、β1=7°。

7）切頂孔豎直角度。根據(jù)圖3中工作面切頂鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：L"為工作面切頂孔無(wú)藥段的最小長(zhǎng)度，取為9m；L2為工作面切頂孔的長(zhǎng)度，取為25m；其余參數(shù)的含義及取值同上，將上述數(shù)據(jù)代入式（8）中能夠得出 α3=40°、α4=30°、α5=20°。

8）放頂孔裝藥長(zhǎng)度、裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)。根據(jù)8210工作面頂板的具體巖性、炸藥的種類(lèi)和放頂孔的布置形式，并結(jié)合裝藥系數(shù)確定放頂孔的裝藥長(zhǎng)度，由每米裝藥量=3.14×r2ρ0，r為放頂孔的直徑，r=32.5mm，ρ0為炸藥的密度，g/cm3，基于此計(jì)算得出每米的裝藥量為3.32kg/m?？紤]到深孔爆破的裝藥量應(yīng)小于放頂孔裝藥總量的2/3，故計(jì)算出裝藥長(zhǎng)度為24m，單孔最大裝藥量為48kg，炸藥采用三級(jí)煤礦巖石乳化粉末炸藥，并采用正向裝藥進(jìn)行裝藥作業(yè)。

9）放頂孔的布置形式。為了保證工作面回采工作的正常進(jìn)行，保證工作面放頂效果，設(shè)計(jì)在開(kāi)切眼內(nèi)布置切頂孔，初次放頂孔設(shè)置在回采巷道內(nèi)，具體放頂孔的布置形式如圖4所示，在切頂孔滯后支架切頂線1m時(shí)進(jìn)行切頂放頂作業(yè)，在工作面距離切頂孔25m時(shí)，在兩回采巷道中進(jìn)行初次放頂作業(yè)；對(duì)于工作面的周期放頂鉆孔將其布置與工作兩側(cè)的回采巷道中，一般在超前工作面55～90m，放頂孔間的間距為20m，在工作面煤壁與周期放頂孔之間的間距為10m時(shí)應(yīng)及時(shí)停止回采作業(yè)，進(jìn)行放頂以此保證頂板的及時(shí)垮落。

圖4 放頂鉆孔的布置形式

3.2 超前松動(dòng)爆破效果

8210大采高工作面回采作業(yè)時(shí)共發(fā)生煤壁片幫情況4次，片幫的最大深度為1m，最大寬度為3m，片幫的最大高度為2m，將其與相鄰未采取超前松動(dòng)爆破強(qiáng)制放頂?shù)?212工作面在回采過(guò)程中煤壁的片幫情況對(duì)比分析知8210工作面回采期間煤壁片幫情況得到了有效控制，片幫程度和片幫的深度大大減?。涣硗馔ㄟ^(guò)對(duì)8210工作面回采期間液壓支架的監(jiān)測(cè)可知，回采過(guò)程中未出現(xiàn)過(guò)支架壓架情況，支架的時(shí)間加權(quán)平均阻力占到額定工作阻力的65.7%，末阻力占到額定工作阻力的67.2%，基于此可知工作面回采過(guò)程中支架的穩(wěn)定性較好。

4 結(jié) 論

通過(guò)具體分析基本頂角度對(duì)液壓支架和煤壁的影響規(guī)律，并結(jié)合頂板巖層情況和相鄰工作面的資料對(duì)超前松動(dòng)爆破方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，8210工作面采用超前爆破方案后，工作面回采過(guò)程中煤壁片幫情況得到了有效控制，且支架的穩(wěn)定性較好，保證了生產(chǎn)。