堅硬頂板綜采工作面礦壓研究與控制

扈國紅

（山西焦煤集團有限公司官地礦，山西 太原030022）

煤礦生產(chǎn)過程中，因地質條件的復雜性經(jīng)常遇見各種各樣的問題，堅硬頂板一直是生產(chǎn)過程中的難題，國內(nèi)學者李俊斌以淮南礦為背景，研究了急傾斜煤層過程中液壓支架的工作受力以及參數(shù)的設計，其采用的偽傾斜柔性掩護支架采煤法在實際生產(chǎn)運行過程中對支架的受力起到了很好地作用，為淮南礦的安全生產(chǎn)提供了保障，也為淮南礦帶來了可觀的經(jīng)濟效益[1]；王栓存、石平五研究了較厚煤層采煤工藝下支架的性能，利用相似材料模擬和三維數(shù)值分析了采煤過程中礦山壓力以及分布，在數(shù)學分析方法下成功地提高了支架的性能，對于巷道支護也提出了很好地見解[2]；張衛(wèi)民探討了急傾斜煤層的開采方法以及開采過程中因為頂板等問題造成的生產(chǎn)停滯問題[3]，文中的急傾斜工作條件與本文研究內(nèi)容類似，本文也是在急傾斜煤層的條件下對堅硬頂板進行了預防處理措施；周邦遠、陳顯坤、聶春輝等利用自主研制的大傾角液壓支架對傾斜煤層進行支護，并在長臂綜合機械化采煤工作面進行了試驗，試驗成功地驗證了支架的可行性，支架成功地起到支護作用，控制了頂板移動量，減小工作面因為采動而帶來的震動以及大塊巖層掉落帶來的問題[4]。

本文結合國內(nèi)眾多學者的研究，在急傾斜煤層條件下，針對堅硬頂板問題，從巷道礦山壓力角度借助數(shù)值模擬軟件對爆破后堅硬頂板進行了應力分析，同時，詳細地介紹了爆破處理方法中炮孔的位置，炮孔間的距離以及炮孔深度等參數(shù)，并在實際工程中取得了良好的結果，為堅硬頂板處理提供了可靠的參數(shù)以及數(shù)據(jù)支持。

1 堅硬頂板綜采工作面礦壓現(xiàn)狀及數(shù)值模擬

堅硬頂板是指頂板巖石厚度大、強度高、不容易垮落的巖層。在煤礦生產(chǎn)過程中，堅硬頂板是困擾生產(chǎn)者多年的問題。堅硬的頂板依靠自身質量應力很難實現(xiàn)自己脫落，因此礦井工作人員必須實施人工干擾甚至爆破等方法實現(xiàn)頂板脫落。實施人工干擾后，工作面會瞬間承受較大的壓力，嚴重情況下，會造成礦井地震等情況。因此實施難度較大，危險性較高。

這里借助FLAC3D以及RFPA2D數(shù)值模擬軟件對工作面頂板應力分布規(guī)律進行了模擬，模擬中利用庫倫-莫爾準則判斷頂板是否破壞：

式中：σ1為最大主應力，σ3為最小主應力，c為黏結力，ψ為摩擦角。在一般應力作用下，巖層在應力作用下發(fā)生拉破壞，當fs＞0時，巖層發(fā)生剪切破壞。

在此基礎上，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對頂板進行了模擬分析，在堅硬頂板模擬圖中可以看出，工作面的最大主應力隨著距開切眼距離的增加而減小，對于堅硬頂板，選取了開切眼，距離開切眼37 m、44 m以及50 m四個點側重觀察堅硬頂板的受力狀況。顯然，在開切眼處7 m左右的位置煤壁所受的主應力最大，距離開切眼37 m處，煤壁所受的主應力開始迅速降低，最大主應力隨著推進距離的增加持續(xù)降低。當工作面推進到距離開切眼50 m時，煤壁的主應力出現(xiàn)突然升高。對爆破軟化后的頂板模擬中，選取了開切眼，距離開切眼27 m、48 m以及50 m四個點規(guī)律相比堅硬頂板類似，在距離開切眼7 m處煤壁的應力最大，在50 m處會出現(xiàn)應力突增，不同的是，在進行爆破軟化處理后的堅硬頂板整體所受的應力相較堅硬頂板下降了一個量級，且自煤壁最大主應力開始，煤壁所受的主應力一直處于迅速下降的趨勢?？梢姡驗楸铺幚矸绞?，堅硬頂板受到拉伸破壞和剪切破壞綜合破壞方式，巖層的完整性遭到破壞，抗壓強度也隨著降低。在相同支架的支護作用下，煤壁所受應力也自然減小，這也充分解決了堅硬頂板難處理的問題（見圖1）。

在實際煤層開采中，煤層一般都有一定的傾斜角度，支架在支護頂板的過程中，支架的中部和上部承受較大壓力，下部承壓相對較小。如果碰見頂板堅硬，底板松軟的情況，支架極容易陷入底板并且出現(xiàn)傾斜滑倒等情況，如果不對堅硬頂板進行預處理，巷道得不到很好地支護保護作用，掉落的煤炭以及矸石對工作人員會造成一定程度的威脅，煤炭生產(chǎn)會停滯，所以遇見堅硬頂板，實施人工干預是很好地舉措。

圖1 工作面最大主應力變化曲線

2 堅硬頂板處理方法

通過堅硬頂板的數(shù)值模擬機理分析得到，進行堅硬頂板的預處理是解決堅硬頂板問題的必要措施。超前預爆破處理堅硬頂板是效率最高，處理效果較好的方法，我們將詳細討論此方法。

炮孔的布置位置及深度等參數(shù)都會影響到爆破的效果，如圖2所示。將炮孔分為奇數(shù)組和偶數(shù)組，奇數(shù)組的炮孔布置在端頭切斷孔、輔助端頭孔和輔助老頂孔處，奇數(shù)組靠近工作面；偶數(shù)孔布置在端頭切斷孔和輔助老頂孔處，炮孔均勻的布置在回風巷道和運輸巷道兩條巷道處。在炮孔的布置上采用雙側布孔方法，奇數(shù)組布置于老頂切斷孔、輔助孔老頂和一個端頭孔各一個炮孔；偶數(shù)組布置于老頂切斷孔、輔助孔老頂孔、端頭切斷孔和輔助端頭孔處各四個炮孔。原理上，炮孔的直徑要大于裝藥的直徑，本文炮孔直徑大于裝藥直徑30 mm，炮孔與煤層夾角為25°，采用不偶合裝藥結構，利用2根導火索進行引爆。

圖2 炮孔布置平面示意圖

此方案為某礦實際工程中我們設計的方案，在實際的實行中，炮孔間距定位7 m，布置好后，引爆導火索，超前預爆破處理堅硬頂板達到了很好的效果，實現(xiàn)了壓力的減小。隨著工作面的推進，我們依然改進方案，都達到了預期的結果。可見，超前預爆破處理減小了頂板垮落的距離，降低了因為堅硬頂板瞬間大面積垮落帶來的突然來壓，煤壁脫落等現(xiàn)象。對于工作面液壓支架，因為垮落步距的減小，支架中上部承受的壓力與會隨即減小，能夠更好地對巷道起到支護作用，從而保證工作面的順利推進，實現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

3 結論

1）堅硬頂板會影響到煤礦生產(chǎn)的眾多環(huán)節(jié)，實行人工干預處理的辦法能夠有效地控制事故的發(fā)生。

2）通過FLAC3D數(shù)值模擬分析可以得到，爆破弱化后頂板所受的主應力較堅硬頂板所受主應力大小明顯得到改善，為堅頂板的處理提供了理論依據(jù)。

3）采用不偶合裝藥結構對堅硬頂板進行超前預爆破處理，結果顯示，工作面堅硬頂板垮落步距明顯減小，所受壓力強度明顯降低，為控制頂板因大面積垮落帶來的周期性壓力、煤塊矸石大塊掉落以及工作面的正常生產(chǎn)給出了可行性方案。