10-205 工作面開采礦壓規(guī)律分析與強制放頂技術(shù)應(yīng)用

郝先鋒

（山西焦煤集團臨汾宏大礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

我國煤礦以地下開采為主，面臨著諸多事故災(zāi)害的威脅，其中，頂板事故是影響礦井安全高效開采的主要因素之一。當(dāng)工作面賦存的頂板巖層完整性好、強度高、承載能力強時，工作面開采后頂板巖層不易垮落，導(dǎo)致頂板大面積懸露，易誘發(fā)嚴(yán)重的動力災(zāi)害。針對堅硬頂板的處理，國內(nèi)外專家學(xué)者經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得諸多研究成果，提出了定向水力壓裂、深孔松動爆破等一系列的技術(shù)手段，以弱化堅硬頂板巖層為主要目的，避免工作面開采后形成大面積懸頂[1-5]。本文以錦程礦10-205 工作面基本頂賦存堅硬頂板K2 石灰?guī)r為研究背景，利用數(shù)值模擬分析工作面開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，提出采用超前深孔松動爆破的方法對10-205 工作面堅硬頂板K2 石灰?guī)r進行強制放頂，以消除工作面開采存在的安全隱患。

1 工程概況

10-205 工作面位于+1042 m 水平二采區(qū)西北部，開采太原組下段（9+10）#煤層，工作面東為實煤區(qū)，西鄰井田邊界三角實煤區(qū)，南為二采區(qū)西軌道大巷，北部鄰近井田邊界保護煤柱，地面標(biāo)高1330～1410 m，工作面標(biāo)高965～1070 m。根據(jù)10-205 工作面兩順槽揭露，煤層厚度為3.8～4.6 m，平均為4.2 m，工作面開采范圍內(nèi)煤層穩(wěn)定，普遍含有兩至三層夾矸，巖性以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主?；卷敒镵2 石灰?guī)r，厚度3.09～10.05 m；偽頂為灰質(zhì)泥巖，厚度0.00～0.25 m；直接底為泥巖，厚度0.30～0.60 m；基本底為泥巖，厚度2.37～4.44 m。10-205 工作面基本頂K2 石灰?guī)r屬于堅硬頂板巖層，工作面回采初期易出現(xiàn)大面積懸頂。為實現(xiàn)10-205 工作面開采后堅硬頂板及時垮落，避免大面積懸頂誘發(fā)的安全事故，在10-205 工作面回采前設(shè)計采用深孔松動爆破的方式對堅硬頂板進行強制放頂。

2 工作面開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

以10-205 工作面為背景，利用FLAC3D有限差分軟件模擬分析工作面不同推進距離（18 m、27 m、36 m、45 m、54 m、90 m、180 m）的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。圖1 為工作面頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)和垂直應(yīng)力分布云圖。

圖1 頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)和垂直應(yīng)力分布云圖

從工作面頂?shù)装鍑鷰r塑性區(qū)和垂直應(yīng)力分布云圖可以看出：工作面推進距離為18 m 時，采空區(qū)上方的偽頂已塑性破壞，但其上部基本頂巖層未出現(xiàn)塑性破壞；當(dāng)工作面推進距離為27 m 時，基本頂巖層出現(xiàn)塑性破壞（破壞高度約3.0 m）；在工作面推進距離為36 m 時，基本頂巖層塑性破壞范圍增加（破壞高度增加至3.0 m）；當(dāng)工作面推進距離增加至45 m 后，采空區(qū)基本頂塑性破壞范圍擴大，破壞范圍延伸到上部巖層，此時基本頂出現(xiàn)破斷，頂板巖層大面積垮落，表現(xiàn)為基本頂初次來壓；在推進距離為54 m、90 m 和180 m 時，工作面回采后頂板巖層垮落狀態(tài)基本相同，基本頂巖層充分垮落，且上覆巖層隨基本頂巖層垮落而破壞。

由圖1 可知：當(dāng)工作面推進距離為18 m 時，工作面前方煤體應(yīng)力峰值不明顯，工作面前方3.0 m 區(qū)域煤體頂板位置存在較大應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值約13.4 MPa；當(dāng)工作面推進距離為27 m 時，工作面前方煤體應(yīng)力峰值增加至14.6 MPa，位于工作面前方3.0 m 位置；當(dāng)工作面推進距離增加至36 m時，工作面前方煤體應(yīng)力峰值增加至17.1 MPa，位于工作面前方4.0 m 位置；當(dāng)工作面推進距離為45 m 時，由于基本頂巖層出現(xiàn)斷裂，頂板壓力減小，應(yīng)力傳遞向前轉(zhuǎn)移，應(yīng)力峰值位置前移，同時應(yīng)力集中范圍明顯減小；隨著工作面的不斷推進，在推進距離為54 m、90 m 和180 m 時，應(yīng)力峰值大小及位置基本穩(wěn)定，同時推進距離每增加18 m，應(yīng)力分布出現(xiàn)一次緩和波動，因此預(yù)測10-205 工作面周期來壓步距約18 m。

綜上所述，預(yù)測10-205 工作面初次來壓步距約45 m，即工作面推進距離為45 m 時，基本頂巖層初次破斷。由于基本頂巖層強度較高，且初次來壓步距較大，即堅硬頂板垮落面積較大，避免大面積懸頂誘發(fā)的安全事故，需要對工作面堅硬基本頂進行弱化處理。

3 堅硬頂板強制放頂技術(shù)

根據(jù)工作面開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析，確定在10-205 工作面采用深孔松動爆破的方式對堅硬頂板進行強制放頂。

（1）爆破鉆孔布置

在10-205工作面開切眼中布置45個爆破鉆孔，為增加松動爆破效果，在10-205 工作面開切眼兩側(cè)的順槽內(nèi)各布置3 個爆破鉆孔，合計布置爆破鉆孔51 個。爆破鉆孔具體參數(shù)如下：爆破鉆孔每3 個為1 組，鉆孔直徑75 mm，鉆孔垂深11.5 m，鉆孔傾角52°，鉆孔深度15 m，鉆孔組間距10 m，鉆孔間距5 m。如圖2。

圖2 10-205 工作面爆破鉆孔布置圖（m）

（2）爆破參數(shù)

采用聚能爆破，鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖3。將炸藥裝于聚能管中，聚能管外徑為63 mm，聚能管管內(nèi)設(shè)置兩根外徑20 mm 的空管，空管對稱布置，炸藥不耦合系數(shù)為1.5。聚能管放置在爆破鉆孔內(nèi)，且放置時兩空管連線平行于工作面開切眼方向，裝藥直徑60 mm，裝藥長度6.5 m，封孔長度8.0 m，單孔裝藥量20 kg。

圖3 鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)（mm）

4 爆破效果分析

10-205 工作面深孔松動爆破后，進行了礦壓觀測，經(jīng)統(tǒng)計工作面平均初次來壓步距在17.02 m，平均來壓強度30.89 MPa，平均周期來壓步距19.34 m，平均周期來壓強度20.48 MPa，表1 給出了10-205 工作面礦壓監(jiān)測結(jié)果（10 個測站）。

表1 工作面礦壓監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)10-205 工作面現(xiàn)場礦壓監(jiān)測，經(jīng)過強制放頂，工作面初次來壓步距為17.02 m，明顯小于數(shù)值模擬結(jié)果，平均周期來壓步距19.34 m，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。綜上表明，采用深孔松動爆破的方式對10-205 工作面堅硬頂板進行了強制放頂，可有效實現(xiàn)初次來壓步距，避免10-205 工作面回采初期因大面積懸頂誘發(fā)的安全事故。

5 結(jié)論

以10-205 工作面為工程背景，通過分析工作面開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，認為10-205 工作面開采前需對堅硬頂板巖層進行弱化處理，基于此，設(shè)計采用深孔松動爆破的方式對10-205 工作面堅硬頂板進行強制放頂。強制放頂后，10-205 工作面初次來壓步距為17.02 m，明顯小于數(shù)值模擬結(jié)果，平均周期來壓步距19.34 m，與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。綜上表明，采用深孔松動爆破的方式對10-205 工作面堅硬頂板進行強制放頂，可有效實現(xiàn)初次來壓步距，避免工作面回采初期因大面積懸頂誘發(fā)的安全事故。