首采工作面堅(jiān)硬頂板預(yù)裂技術(shù)研究與實(shí)踐

馬海勝

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214)

1 工程概況

1301工作面為玉溪煤礦首采工作面，根據(jù)玉溪煤礦1301工作面輔助運(yùn)輸巷道頂板巖層結(jié)構(gòu)鉆孔窺視結(jié)果可知，3號煤層頂板從下至上依次為平均厚度2.4 m的泥巖(直接頂)、5.3 m的中砂巖(老頂)、7.4 m的泥巖，強(qiáng)度均大于60 MPa(見表1)，屬于堅(jiān)硬不易垮斷巖層。初采前可能發(fā)生頂板不易垮落的現(xiàn)象。因此提前實(shí)施頂板預(yù)裂，對改善工作面通風(fēng)條件、防止初采期間頂板大面積垮落時(shí)工作面瓦斯超限及減弱對支架的沖擊破壞性都有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 3號煤層及頂板巖石力學(xué)參數(shù)

2 預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)資料及頂板巖層鉆孔窺視結(jié)果，3號煤層老頂巖層為主要弱化處理對象，選用深孔預(yù)裂爆破方法對其進(jìn)行弱化處理[2]。

2.1 炮孔布置

結(jié)合地質(zhì)資料，在開切眼內(nèi)布置預(yù)裂孔20個(gè)，從回風(fēng)巷1向膠帶運(yùn)輸巷方向分別用編號1～20表示，每4個(gè)鉆孔為一組，其中3個(gè)裝藥，1個(gè)為備用孔。施工炮眼總長440 m；裝藥總長度217.5 m，炸藥用量650 kg；封泥長度112.5 m。第1～2組為第一茬，3～5組為第二茬，分兩次裝藥與爆破，見圖1。

圖1 炮眼布置示意(m)

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

頂板處理最大垂直高度11 m；孔徑75 mm；炸藥密度1 194.265 kg/m3；炸藥爆速2 800 m/s；封泥長度7.5 m；破碎區(qū)半徑平均為0.6 m；裂隙區(qū)半徑平均為3.1 m；孔距為每組內(nèi)5.0 m；炮孔角度(水平仰角)為30±2°。

2.3 預(yù)裂爆破材料

爆破所用設(shè)備及材料見表2。

表2 爆破所用設(shè)備及材料

3 老頂斷裂極限跨距分析

3.1 老頂所承受的覆巖載荷

(1)

式中：n為老頂之上巖石層數(shù)；hi為各巖層的厚度，i=1，2，…，n；γi為各巖層的體積力；Ei為各巖層的彈性模量[1]。

結(jié)合地質(zhì)資料及《山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦3號煤1301工作面圍巖力學(xué)參數(shù)測試》結(jié)果進(jìn)行老頂載荷計(jì)算，見表3。

表3 1301工作面頂板巖層主要力學(xué)參數(shù)

將表3所示巖層力學(xué)參數(shù)代入式(1)可以得到3號煤層覆巖中老頂自身載荷：

q1=γ1h1=164.3 kPa

考慮老頂上層7.4 m泥巖對老頂?shù)淖饔茫?/p>

同理，考慮第3～5層老頂?shù)淖饔梅謩e為:

=184.2 kPa

=156.2 kPa

根據(jù)計(jì)算：(q5)1<(q4)1，第1層中砂巖老頂控制著其上方共14 m巖層，載荷為184.2 kPa，簡記為q=184.2 kPa。

根據(jù)原巖預(yù)裂后再次平衡，預(yù)裂后受力分析見圖2，圖3為所受的剪力和彎矩。

圖2 預(yù)裂后受力分析

圖3 剪力及彎矩

分析圖2，可得:

R+F=qL

(2)

(3)

右端不受彎矩作用，撓度為0，則可列變形協(xié)調(diào)方程[1]：

wB=(wB)F+(wB)q=0，即有：

(4)

(5)

當(dāng)σmax=RT時(shí)，巖層將在該處拉裂，因此斷裂極限跨距為[2]：

(6)

式中：h為老頂?shù)暮穸?，m；RT為老頂?shù)目估瓘?qiáng)度極限，MPa；q為老頂承受載荷，kPa；L1T為老頂一端固支一端簡支狀態(tài)下的極限跨距，m[1]。

3.2 綜合分析

未預(yù)裂老頂極限跨距理論值：

預(yù)裂后老頂極限跨距理論值：

理論計(jì)算1301工作面未實(shí)施爆破預(yù)裂老頂初次來壓步距為30.75 m，實(shí)施后為25.11 m。

4 實(shí)際來壓情況分析

4.1 頂板垮落

1301工作面切眼寬200 m，支架間距1 750 mm，從機(jī)頭至機(jī)尾共安裝液壓支架117架，見圖4。2020年6月17日開始回采，6月22日(6.4 m)59～69號支架后方輕微落頂，隨后隨著工作面推進(jìn)，59～80號支架均出現(xiàn)輕微落頂；6月26日(11.6 m)70～80號支架后方直接頂垮落，隨后隨著工作面推進(jìn)，5～113號支架后方直接頂陸續(xù)垮落，至7月7日(15.6 m)4號～113號架后基本垮落充實(shí)，至此工作面后方除兩端頭尚未垮落，其余所有支架上方直接頂都及時(shí)垮落。1301工作面兩側(cè)均為實(shí)體煤，回采巷道上方靠近實(shí)體煤側(cè)的覆巖沒有受到破壞，靠近采空區(qū)側(cè)的覆巖僅在本工作面回采擾動(dòng)及自重作用下懸頂達(dá)到一定面積時(shí)才會(huì)垮落。7月13日(25.2 m)前端頭垮落充分，后端頭開始垮落；7月15日(26 m)后端頭垮落充分，至此老頂基本垮落完全。

4.2 支架壓力

1301工作面所有支架上均裝有壓力表，并有專人負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集，現(xiàn)對2020年6月17日開始回采至8月2日累計(jì)回采進(jìn)度達(dá)48.4 m時(shí)支架壓力進(jìn)行分析。工作面共117架支架，均勻選取中部5架支架進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，見圖5。2020年6月17日8點(diǎn)班正式開始回采，根據(jù)圖4可以看出，工作面回采后支架壓力隨回采進(jìn)度逐步增大，至7月7日(14.8 m)支架壓力增加至約35 MPa，隨后支架壓力隨回采進(jìn)度在20～30 MPa之間呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，至7月13日(25.2 m)支架壓力約從35 MPa大幅度下降，至7月20日(32 m)后恢復(fù)波狀變化。

1301工作面回采過程中在推進(jìn)至約15 m支架后垮落充實(shí)，支架壓力出現(xiàn)大幅度下降波動(dòng)，推進(jìn)至約25 m前后端頭全部垮落完成，老頂全部垮落，支架壓力從35 MPa直接下降至約20 MPa。通過對回采初期頂板垮落情況、工作面綜采支架工作阻力及理論計(jì)算依據(jù)綜合分析，1301工作面直接頂初次垮落步距約15 m，老頂初次垮落步距約25 m。

圖4 1301工作面布置

圖5 工作面液壓支架壓力曲線

5 結(jié) 語

玉溪煤礦1301工作面老頂為一層堅(jiān)硬厚實(shí)的中粒砂巖，采用深孔預(yù)裂爆破方法對頂板進(jìn)行了弱化處理，實(shí)施后通過對頂板預(yù)裂前后老頂斷裂極限跨距的理論分析、回采初期頂板垮落情況、工作面綜采支架工作阻力的綜合分析，判定初次來壓步距為25 m，縮短初次來壓步距，減小懸頂面積，防止大面積垮落時(shí)工作面瓦斯超限，減弱初次來壓對支架的沖擊破壞性，大大減輕礦井安全管理壓力。