官地煤礦厚煤層綜放面深孔爆破處理頂板技術及應用

高 梓,李春睿

(1.西山煤電集團公司 官地礦，山西 太原 030000 ；2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

工作面初采期間頂板的強放工作，已經(jīng)是較為成熟的技術，在國內多個礦井成功應用[1-2]。綜放工作面初采期間頂煤頂板預裂有如下幾方面益處：能夠對采空區(qū)遺煤造成的自燃發(fā)火危險降低；可提高綜放面初采期間的頂煤采出率；對初次來壓強度有緩和作用；可以避免懸頂突然冒落造成颶風傷人事故。此外，《煤礦安全規(guī)程》第一百一十五條也有規(guī)定：放頂煤工作面初采期間應當根據(jù)需要采取強制放頂措施，使頂煤和直接頂充分垮落。為此官地礦29406綜放面決定采用深孔爆破弱化頂板工藝。

1 工作面條件概況

官地煤礦29406工作面回采中四采區(qū)的8號，9號煤層合并，以“采9號煤放8號煤”的方式回采，29406工作面走向長597～655m，傾斜長180m。地表標高+1350～+1430m，工作面標高+1032～+1071m，即工作面埋深318～360m。29406工作面西側為28408工作面采空區(qū)，東側為未采區(qū)。工作面上部為26406，26406′，16309工作面采空區(qū)。9號煤與6號煤層間距約為30.33m，9號煤與8號煤層間距約1.25m。直接頂為3.06m泥灰?guī)r，基本頂為10.23m石灰?guī)r。工作面煤層頂板柱狀如圖1所示。

圖1 煤層頂板柱狀

2 工作面初采期間來壓步距預判

當厚煤層上方存在完整性好、節(jié)理不發(fā)育的厚層直接頂砂巖時，不能夠隨著工作面隨采隨冒，初采期間會在采空區(qū)后方形成懸露范圍較大的空間[3]。這種厚層巖石會隨懸露面積擴大終將垮斷，工作面開采后覆巖破壞會形成O-X形態(tài)斷裂(圖2、圖3)，其初次斷裂步距可采用“薄板理論”進行評估[4]。

圖2 初采期間覆巖的相似模擬

圖3 覆巖頂板OX形態(tài)斷裂素描

初采期間薄板的四周邊界為固支狀態(tài)，隨著懸露面積的逐漸增大，頂板中部發(fā)生彎曲下沉。根據(jù)理論力學知識，厚層頂板上覆所承受的載荷為：

(1)

式中，En為上覆巖層的彈性模量，MPa；γn為上覆巖層的重量，N/m3；hn為上覆巖層的厚度，m；n為頂板破斷的層位，n=1,…，4。

當固支薄板較長的邊界拉應力超過其材料的抗拉強度時，將會在該邊界發(fā)生斷裂，隨后較短的固支邊界接續(xù)發(fā)生斷裂，變?yōu)?個邊界簡支狀態(tài)，最終在上覆載荷的作用下，薄板中部抗拉強度無法承受而發(fā)生彎曲垮斷，根據(jù)四邊固支的條件可知該薄板能夠承受的最大拉應力為：

(2)

式中，σt為厚層直接頂抗拉強度，8.6MPa；E為厚層直接頂?shù)膹椥阅Ａ浚?.2MPa；h為巖層厚度，10.23m；μ為厚層直接頂泊松比，0.18；a為厚層直接頂沿走向懸露長度，46m；b為厚層直接頂傾向懸露長度，180m；D為厚層直接頂彎曲剛度，688MPa，D=Eh3/(12(1-μ2))。

根據(jù)公式(1)和公式(2)計算可得，官地礦頂板若不進行人工處理,初次垮落步距將為46m。可見該工作面頂板的初次垮落步距過大，容易產(chǎn)生颶風、瓦斯瞬間擠出效應。

3 官地煤礦29406面初采強制放頂方案設計

由于該工作面的頂板巖石為致密砂巖、韌性較高，不適合采用水力壓裂的弱化方式，因此采用深孔爆破的方式進行預裂。

頂板處理高度涉及到冒落后充填效果的好壞，也與施工難易程度直接相關。根據(jù)現(xiàn)場條件，29406工作面采高按平均取值：HC=3.5m(割煤高)、HF=6.2m(放煤高)，采取深孔爆破后頂板直接垮落高度為Hx，巖石的碎脹系數(shù)ξ=1.2，如果要爆破崩落的頂板能完全充填采空區(qū)，則有如下公式成立[5]：

(Hx+HF)·ξ=HC+HF+Hx

計算得，Hx=11.3m，即需將在8號煤上方11.3m頂板爆破處理。

考慮到切眼上方是4.7m厚的頂煤，初步確定29406工作面頂板巖層深孔爆破豎直方向高度為煤層上方4.7m+11.3m=16m，結合工作面頂板巖層厚度分布情況可知，處理范圍包括：8號煤層、8號煤層上方偽頂、8號煤層上方直接頂、8號煤層上方部分基本頂，共計約16.0m范圍，即按45°仰角，炮孔斜長22.6m。頂板弱化處理后垮落充填情況如圖4所示。

圖5 頂煤區(qū)B組爆破后情況

圖6 頂煤區(qū)A組爆破后情況

根據(jù)頂板需要處理的高度，在切眼布置2排炮孔，炮孔仰角順著切眼方向分別為A組45°，B組45°，為了使爆破區(qū)域增大，前排A組炮孔向工作面前方有10°擺角，B組平行于切眼方向，以此方案進行數(shù)值模擬，如圖5及圖6所示，模擬初采期間頂板拉槽爆破效果。圖5為B組炮孔起爆后情況，頂煤層位基本預裂，并有部分能夠垮落。圖6為A組炮孔起爆后，頂板預裂效果較好，頂煤預裂范圍增加。

從圖中可見，2排炮孔爆破后切眼上方頂板能夠產(chǎn)生明顯的弱化區(qū)域，頂煤頂板易于垮落，當工作面支架向前推進后，頂板基本上能夠充滿采空區(qū)。由此可知采用前述炮孔布置較為合理。因此給出的深孔爆破炮孔剖面如圖7、圖8所示。

圖7 進風巷一側切眼炮孔剖面

圖8 回風巷一側切眼炮孔剖面

深孔預裂爆破頂板的具體炮孔參數(shù)如表1所示。

表1 深孔爆破炮孔參數(shù)

4 深孔爆破效果評價

深孔爆破強制放頂后，為了探尋其對頂板初次來壓的改善效果，采用礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)獲得了回采期間的礦壓數(shù)據(jù)情況[6]，監(jiān)測的來壓時液壓支架工作阻力如表2所示，根據(jù)初次來壓階段觀測的液壓支架工作阻力來看，初次來壓時多數(shù)支架壓力開始升高，如圖9中工作阻力曲線所示，最大值已達到安全閥開啟壓力，工作面現(xiàn)場觀測也有個別立柱安全閥開啟，工作面液壓支架額定阻力為7000kN，來壓時支架壓力值為7900kN(約38MPa),動載系數(shù)為1.13。

表2 初次來壓時液壓支架受力值

根據(jù)礦壓數(shù)據(jù)判定工作面基本頂來壓步距約為22m，周期來壓持續(xù)時間一般為10～15m，隨著推進步距頂板垮落，周期來壓不明顯。工作面周期來壓特點：一是強度不大；達到峰值時間短，1個小班隨著推進移架步距頂板跟著垮落；二是卸載距離短，說明深孔爆破斷裂頂板起到了較好的效果。

圖9 初次來壓時液壓支架壓力情況

5 結 論

(1)經(jīng)過理論計算及數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)官地礦29406面厚層頂板具有垮落步距長、懸頂面積大的現(xiàn)象，得出該工作面需采取人工強制放頂工藝，即采用深孔爆破技術對初采期間的頂板進行預裂爆破。

(2)通過深孔爆破預裂后，工作面的初次來壓步距為22m左右，動載系數(shù)平均為1.16；在頂板的壓力與直接頂巖性共同作用下，直接頂基本上能隨采隨冒，礦壓顯現(xiàn)不明顯，說明29406工作面深孔預裂爆破強制放頂取得了良好的效果。

(3)通過在綜放工作面初采實施強制放頂技術，提前破壞基本頂?shù)耐暾?，將基本頂初次來壓變?yōu)橹芷趤韷?縮小基本頂初次來壓步距,減小懸頂面積,實現(xiàn)頂板的安全管理。