大采高綜采工作面堅硬頂板預(yù)裂控制研究

王春健

（霍州煤電集團安全管理部，山西 霍州 031400）

回采工作面頂板事故是煤礦生產(chǎn)的災(zāi)害之一，頂板災(zāi)害中，堅硬頂板造成的煤礦事故比例很大[1]。高彈性模量、高抗壓抗拉強度造成巖體離層厚度大，有的可達數(shù)十米，如果不采取針對性措施，回采工作面采空區(qū)懸頂面積可達幾萬平方米，懸頂垮落產(chǎn)生的沖擊載荷危害極大，不利于礦井的安全高效生產(chǎn)[2-3]。煤礦煤層賦存條件復(fù)雜，堅硬頂板在我國山西、新疆等區(qū)域占比較大，且多地發(fā)生過回采工作面堅硬頂板的冒落事故，給企業(yè)造成了巨大的損失[4-5]。我國在回采工作面堅硬頂板的治理研究上已開展多年，且取得了較大成果，但是仍存在諸多問題，例如：工作面采空區(qū)頂板冒落不充分，造成煤壁片幫現(xiàn)象嚴重，支架阻力過大，不能有效支撐圍巖的變形，這些現(xiàn)象在厚度較大堅硬頂板的煤層開采過程中更為顯著。因此，為了避免頂板垮落造成事故，必須了解堅硬頂板條件下采空區(qū)圍巖的受力變形特征，進而選擇合理的方式對堅硬頂板進行處理。

1 工程背景

霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，其礦區(qū)位于山西省呂梁市方山縣大武鎮(zhèn)木瓜村、西屬巴鎮(zhèn)、許永山村與茂塔溝村一帶。井田呈不規(guī)則多邊形，南北長約3.5 km，東西寬最大約4 km，井田面積9.341 3 km2。其中，原木瓜煤礦面積1.018 km2，擴區(qū)面積8.323 km2。目前所采煤層為9#煤層和10#煤層的合并層，其中，9#煤層的厚度為2.2～3.8 m，10#煤層的平均厚度為1.4～1.8 m，煤層傾角為4°，有一層平均厚度為0.65 m的夾矸，煤層賦存穩(wěn)定。10-202工作面煤層平均厚度為6.2 m，工作面傾斜長240 m，采用走向長壁后退式采煤法，綜合機械化一次采全高工藝，全部垮落法管理頂板，工作面每天推進4個循環(huán)，循環(huán)進尺0.8 m。煤層直接頂為灰黑色泥質(zhì)砂巖，厚度1 m，0～0.2 m破碎嚴重，0.2～1.0 m完好；基本頂為深灰色灰?guī)r，平均厚度達5.15 m，質(zhì)地堅硬，中厚層狀；直接底為灰黑色泥巖，厚度3.6～7.4 m，半堅硬，中厚層狀。工作面回采后容易造成大面積的懸頂現(xiàn)象，懸頂垮落形成的沖擊地壓，可損毀支架等相關(guān)設(shè)備，并誤傷作業(yè)人員。為此，需對大采高工作面堅硬頂板進行人工干預(yù)，保障工作面的安全開采。

2 堅硬頂板破斷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

地下巖層在漫長的地質(zhì)演變過程中，受構(gòu)造應(yīng)力和地應(yīng)力的雙重影響，受力變形復(fù)雜。煤炭資源有序開采后，在自重作用和上覆巖層重力作用下頂板發(fā)生移動變形，超過其自身的極限強度值時，巖層內(nèi)部裂隙發(fā)育貫通，最終造成離層及斷裂破壞。

通過對10-202工作面回采期間頂板巖層受力變形的觀察，按照空間巖層移動的形式將頂板的移動分為覆巖彎曲、覆巖垮落、煤壁片幫、層理面滑移、頂板隆起五種形式。

通過預(yù)裂手段干預(yù)堅硬頂板的垮落，這里主要分析預(yù)裂弱化頂板受力作用后基本頂初次來壓步距。假設(shè)工作面開切眼處巖層為完整巖層，整個過程可以簡化為一端固支一端簡支梁力學(xué)模型，結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1中，A為固定端，B為自由端，定義均布載荷為q（N/m），定義頂板板巖梁厚度為h（m），根據(jù)材料力學(xué)知識，斷面慣矩Jz（m3）可表示為：

圖1 堅硬頂板破斷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

當(dāng)最大正應(yīng)力達到巖石的抗拉強度時，固定梁極限跨距l(xiāng)max（m）用公式（3）表示：

根據(jù)公式（1）、（2）、（3）可知，對工作面頂板進行預(yù)裂處理后，基本頂來壓步距最大為35 m，最小為30 m，在開切眼位置進行人工預(yù)裂堅硬的石灰?guī)r頂板，使其更容易垮落，能有效縮短頂板來壓步距，更有利于工作面的安全回采。

3 預(yù)裂方案及現(xiàn)場試驗

3.1 預(yù)裂方案

基于堅硬頂板變形形式及結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的構(gòu)建，采用頂板弱化技術(shù)控制堅硬頂板的垮落，降低基本頂來壓步距和來壓強度。

目前，國內(nèi)對于堅硬頂板的預(yù)處理方法主要有注水弱化、爆破弱化等手段。本次試驗主要采用雙向聚能爆破方法處理堅硬頂板，不同與傳統(tǒng)的爆破技術(shù)，雙向聚能爆破方法操作簡單，成本低，便于圍巖及支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。聚能管在傳統(tǒng)爆破裝置的基礎(chǔ)上進行改進，利用特定強度的管材制成聚能裝置，應(yīng)用張拉成型技術(shù)，實現(xiàn)了按照特定方向的巖石張拉斷裂破壞。

鉆孔布置如圖2所示，頂板預(yù)裂參數(shù)設(shè)計如下：

圖2 爆破鉆孔布置及裝藥結(jié)構(gòu)

（1）根據(jù)石灰?guī)r頂板的厚度，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗，為了保證切頂效果良好，確定鉆孔的深度為7 m，炮孔直徑為48 mm，鉆孔角度為5°。

（2）鉆孔間距不僅影響工作量，經(jīng)濟成本，對爆破效果的影響更為直接，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，間距設(shè)置在500～800 mm效果最佳，排距為800 mm，三排為一組，實際工程中可適當(dāng)調(diào)整間距，確保施工的最佳效果。

（3）聚能管為特制產(chǎn)品，其內(nèi)徑、外徑尺寸分別為36.5 mm、42 mm，整個管長為1.5 m；每個鉆孔安裝4個聚能管，從孔底到孔口依次安裝。

（4）藥卷的直徑為35 mm，長度為300 mm，采用毫秒延期電雷管。

（5）為了保證施工的安全性和有效性，必須預(yù)防吹孔現(xiàn)象的發(fā)生，因此確定每個炮孔的封泥長度為2 m，按照相關(guān)規(guī)定進行封泥，嚴禁采用煤粉及矸石等材料，在未進行封泥時，不得進行爆破作業(yè)。

按照預(yù)裂爆破的參數(shù)進行施工，然后進行不耦合裝藥，隨后進行串聯(lián)放炮爆破。

3.2 現(xiàn)場試驗

為了檢驗現(xiàn)場預(yù)裂方案的可行性，在10-202工作面切眼現(xiàn)場進行施工。工作面安裝初采前進行預(yù)裂爆破，工作面正常推進后不實施預(yù)裂爆破，通過觀察工作面回采期間的礦壓規(guī)律評價預(yù)裂方案的可行性。

10-202工作面切眼預(yù)裂切頂爆破作業(yè)結(jié)束后，頂板未發(fā)生明顯變化，在工作面推進35 m的時候，頂板發(fā)生垮落，且監(jiān)測到垮落強度較小，未發(fā)生液壓支架倒架和人員傷亡事故。現(xiàn)場觀測結(jié)果顯示，垮落的頂板均以碎石的狀態(tài)填充采空區(qū)，形成隨采隨冒的良性循環(huán)，降低了來壓強度。

為了更直觀地體現(xiàn)該方案在降低來壓強度方面的優(yōu)勢，對工作面液壓支架阻力進行監(jiān)測、分析。10-202工作面支液壓架均為電液控制，且均具有壓力傳感器，傳感器每隔10分鐘自動記錄一次壓力數(shù)據(jù)?？紤]到實際工作面推進速度，設(shè)備記錄數(shù)據(jù)量巨大，因此以兩個小時為單位量，計算兩個小時內(nèi)支架記錄數(shù)據(jù)的平均值，并對應(yīng)此時工作面的相對位置，以此循環(huán)往復(fù)，計算得到工作面推進期間支架的阻力圖。整體而言，當(dāng)工作面推進至28 m時，頂板來壓較??；工作面推進至36 m時，頂板來壓明顯，支架壓力的變化也可以反映此現(xiàn)象。

監(jiān)測期間共觀測了8個站點（18架支架為一組）位置工作面液壓支架的壓力變化，選擇有代表性的測點4和測點7支架進行分析，支架壓力曲線變化分別如圖3、圖4所示。不同日期，工作面推進的長度不同，造成液壓支架壓力出現(xiàn)波浪式變化的規(guī)律。2020年1月3日時，工作面推進至18.5 m，此時頂板開始出現(xiàn)小范圍的垮落，垮落范圍為0.3～1.5 m。同年1月6日，工作面推進至25.6 m，此時頂板依舊出現(xiàn)不同程度的垮落，垮落范圍為1.3～2 m，垮落范圍的增大造成支架阻力增大，這一時間段，支架的平均壓力值為36.7 MPa，最大達到48.8 MPa，部分支架位置有采空區(qū)水的流出。1月12日，工作面推進至29 m，頂板垮落范圍進一步擴大，造成支架阻力的持續(xù)上升，此時支架壓力的為50.3 MPa。1月12日往后，支架壓力出現(xiàn)小范圍的波動。2020年1月23日時，工作面推進至35 m，此時支架的平均壓力值達到34.6 MPa。

圖3 測點4支架壓力曲線

圖4 測點7支架壓力曲線

綜合上述分析和監(jiān)測點的支架壓力變化曲線，當(dāng)工作面推進至24～35 m范圍內(nèi)，工作面測點的支架壓力增大明顯，此區(qū)域為頂板的初次來壓，來壓強度范圍為34.1～50.7 MPa，平均42.4 MPa。預(yù)裂方案不僅有效降低了來壓的強度，還確保了支架的穩(wěn)定性。經(jīng)過預(yù)裂爆破處理后，基本頂堅硬頂板的完整性被破壞，頂板內(nèi)部孔裂隙增加，在采動影響下，加劇了孔裂隙的貫通，造成基本頂隨采隨冒，有效減少了懸頂長度，降低了來壓強度，大幅減少了支架承載力，為工作面的安全回采提供了重要保障。

4 結(jié)論

1）基于堅硬頂板破斷結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的構(gòu)建，初步確定了頂板預(yù)裂處理后來壓步距的范圍為30～35 m，開切眼是人工預(yù)裂頂板的最佳位置。

2）結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，確定了雙向聚能爆破切頂工藝的施工參數(shù)。鉆孔直徑48 mm，鉆孔深度7 m，鉆孔沿豎直方向偏向切眼后側(cè)5°，鉆孔間距800 mm，炸藥規(guī)格為φ35 mm×300 mm/卷，封泥長度2 m。

3）現(xiàn)場應(yīng)用效果顯示，液壓支架壓力呈現(xiàn)波浪式變化，來壓強度34.1～50.7 MPa，雙向聚能爆破切頂工藝有效降低了來壓強度，確保了工作面的順利回采。