馬礦生，李厥高，李 偉

(1.山西府谷能源股份有限公司 三道溝煤礦，陜西 府谷 719400;2.大連大學(xué) 院士創(chuàng)業(yè)園，遼寧 大連 116622)

我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜，屬于堅(jiān)硬頂板的煤層約占1/3，堅(jiān)硬頂板導(dǎo)致煤層開采后，在采空區(qū)懸露面積較大、短時(shí)間頂板不易自然垮落［1－4］。由于巖層自身特點(diǎn)，其工作面具有礦壓顯現(xiàn)劇烈，來(lái)壓步距及動(dòng)載系數(shù)較大，特別是初次來(lái)壓步距更大，冒落時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈風(fēng)暴，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大危害，同時(shí)也是沖擊地壓等重大災(zāi)害事故的誘因。對(duì)于堅(jiān)硬頂板控制一直是國(guó)內(nèi)外采礦及科研工作者十分重視的課題之一。目前，頂板控制技術(shù)主要分為堅(jiān)硬頂板弱化和深孔松動(dòng)爆破技術(shù)［5－6］，主要針對(duì)普通采高工作面，對(duì)于堅(jiān)硬頂板大采高工作面初次來(lái)壓強(qiáng)制放頂研究甚少。

因此，本文基于結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析了堅(jiān)硬頂板放頂?shù)睦碚摫匾?，并在三道溝煤礦已采45201 工作面強(qiáng)制放頂及礦壓顯現(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了85201 工作面強(qiáng)制放頂主要參數(shù)，為大采高工作面強(qiáng)制放頂提供了理論依據(jù)。

1 礦井及工作面條件

三道溝煤礦隸屬陜北侏羅紀(jì)煤田神府礦區(qū)，井田面積176.1km2，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為9.3Gt，設(shè)計(jì)產(chǎn)量9Mt/a。服務(wù)年限為76.3a。礦井主采煤層為5－2上和5－2 煤層，層間距平均為20m。三、四采區(qū)分別開采5－2上，5－2 煤層。在此范圍內(nèi)煤層平均厚度分別為1.9m，2.8m。2 個(gè)采區(qū)的巷道采用上下重疊布置形式。

45201 工作面為四采區(qū)的首采工作面，45202北鄰45201 工作面，為四采區(qū)的第2 個(gè)工作面。其正上方為三采區(qū)35103 工作面的采空區(qū)。45202 綜采工作面傾斜長(zhǎng)度300m，走向長(zhǎng)度2800m。工作面布置掩護(hù)式液壓支架173 架，支架中心距為1.75m，工作阻力為8600kN。

85201 面是八采區(qū)首采面，開采5－2 煤，煤層厚度6.48～6.95m，采面以南為礦井3 條主大巷，西為85202 輔運(yùn)巷，北為礦井邊界。工作面直接頂為3.5m 粉砂質(zhì)泥巖，局部有泥質(zhì)粉砂巖，水平層理。基本頂為21.5m 灰－灰白色細(xì)砂粉砂巖，層理明顯，鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)。

2 基于結(jié)構(gòu)力學(xué)模型來(lái)壓步距的理論計(jì)算

2.1 大采高堅(jiān)硬頂板初次來(lái)壓步距

在結(jié)構(gòu)力學(xué)模型條件下，初次來(lái)壓步距可由式(1)求出［7］。

式中，mz為基本頂厚度，m;σ 為巖梁抗拉強(qiáng)度，MPa;γ 為巖梁容重，kN/m3。

以85201 工作面數(shù)據(jù)計(jì)算，基本頂厚度mz=21.5m，σ=7.62MPa，γ=25kN/m3，可得初次來(lái)壓步距為L(zhǎng)0=114m。因此，需要進(jìn)行強(qiáng)制放頂。

2.2 大采高堅(jiān)硬頂板控制計(jì)算

在大采高堅(jiān)硬頂板條件下，勢(shì)必形成懸臂梁的狀態(tài)，其懸臂長(zhǎng)度計(jì)算公式為［7］

將已知數(shù)據(jù)帶入式(2)可得lf=46.7m。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，在“給定變形”支護(hù)條件下，支架每米支護(hù)強(qiáng)度為［8，10］:

式中，mz1為直接頂厚度，3.5m;γz1為直接頂容重，25kN/m3;mz2為基本頂厚度，21.5m;γz2為基本頂容重，25kN/m3;lf為懸臂梁長(zhǎng)度，46.7m;lk為控頂距，3.6m。

由此可以看出，在極限懸臂梁的條件下，每米支護(hù)強(qiáng)度大大高于實(shí)際的支護(hù)強(qiáng)度，而不存在懸臂梁的條件下，其支護(hù)強(qiáng)度為0.63MPa。因此，必選采用端部強(qiáng)制放頂方案，以確保直接頂不能形成較大的懸梁結(jié)構(gòu)。

3 45201 和45202 工作面強(qiáng)制放頂

3.1 放頂基本參數(shù)

3.1.1 放頂高度確定

根據(jù)工作面采高，頂板垮落高度以充滿整個(gè)采空區(qū)為宜，同時(shí)結(jié)合工作面開切眼沿底板掘進(jìn)，則直接頂放頂厚度為:

式中，h冒為直接頂能全部充填采空區(qū)的冒落高度，m;h采為工作面采高，取2.8m;c 為巖石碎脹系數(shù)，取值為1.1～1.3，本文取1.3。

經(jīng)計(jì)算，h冒=10m，取炮眼垂深13.5 m＞h冒，則能滿足要求。

3.1.2 最小抵抗線的確定

根據(jù)工作面實(shí)際賦存情況、爆破經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和炸藥參數(shù)，最小抵抗線取2.0～4.0m。

3.1.3 放頂炮眼孔數(shù)和組數(shù)的確定

按照采空區(qū)充填合理，同時(shí)兼顧裝藥和打炮孔方便的原則，確定放頂炮眼的孔深、分組和個(gè)數(shù)等，見表1。

表1 45201 及45202 綜采工作面放頂炮孔參數(shù)

炮眼垂直間距d=cosα × l=8.57(m)，l 為炮眼眼口間距，取8m;α 為炮眼仰角，取45°。

3.2 強(qiáng)制放頂?shù)V壓顯現(xiàn)特點(diǎn)及效果分析

同5－2上煤層工作面相比，5－2 煤層綜采工作面礦壓顯現(xiàn)有來(lái)壓較急促猛烈的特點(diǎn)。在來(lái)壓時(shí)工作面支架連續(xù)發(fā)出嘎嘎聲，支架活柱迅速收縮。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察資料，2011年8 月16 日，45201 工作面推至離切眼884m 處，夜班1:48，工作面129號(hào)架附近來(lái)壓，在之后的20min 時(shí)間內(nèi)，活柱(左)縮量為100mm。其中前4min 下縮了75mm，至2:08 時(shí)，每分鐘下縮約2mm。在1 個(gè)來(lái)壓周期中，壓力處于峰值時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，壓力平穩(wěn)期持續(xù)時(shí)間較短，甚至消失。

45202 綜采面自2012年3 月24 日中班開始試采，至26 號(hào)早班15 點(diǎn)，共推進(jìn)4 刀，采空區(qū)走向懸頂距離為4.8m。經(jīng)檢查評(píng)估后，開始裝藥。3月27 日晚21 點(diǎn)成功放炮。經(jīng)檢查，除工作面兩端頭各4 架采空區(qū)頂板未落外，中部也有4 處共20架頂板未落，僅占采空區(qū)傾斜長(zhǎng)度的12%。由于中部未落區(qū)頂板比較完整，推測(cè)有3 個(gè)炮眼未爆。

2012年3 月28，29 號(hào)早班各割煤2.4m，至29 號(hào)中班，除機(jī)尾剩余8 架頂板未落外，其余地段采空區(qū)頂板均已垮落。工作面切眼強(qiáng)制放頂取得了理想的預(yù)期效果。

4 強(qiáng)制放頂方案優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工

85201 工作面直接頂為3.5m 的泥巖，垮落后不能完全充填采空區(qū)，而其基本頂為細(xì)砂巖，硬度及厚度極大，會(huì)導(dǎo)致工作面來(lái)壓步距及礦壓顯現(xiàn)比較強(qiáng)烈，頂板控制難度大，極易引發(fā)次生災(zāi)害。根據(jù)工作面的實(shí)際情況，推進(jìn)初期階段需要進(jìn)行人工強(qiáng)制放頂，結(jié)合在四采區(qū)放頂?shù)某晒?，針?duì)具體頂板和支架的具體情況，優(yōu)化爆破的各項(xiàng)參數(shù)，使之減小采空區(qū)基本頂懸頂?shù)拈L(zhǎng)度，通過(guò)初次來(lái)壓的強(qiáng)制放頂，滿足采空區(qū)冒落支撐點(diǎn)的“給定變形”條件，以保證工作面的安全高效開采。

4.1 放頂基本參數(shù)

4.1.1 炮眼布置及材料消耗

綜合考慮各種因素，共布置31 個(gè)孔，切眼內(nèi)炮眼呈“一”字型布置，垂深5.5～20.8m，切眼內(nèi)炮眼中線距離切眼中心線1.5m，1～8 號(hào)孔距為8m 和9～31 號(hào)孔距為10m，見圖1 和圖2 (l 為炮眼間距)，炮眼特征見表2，材料消耗見表3。

圖1 炮眼布置

圖2 炮眼平面放大

4.1.2 設(shè)備配備

炮眼采用全液壓坑道鉆機(jī)施工，鉆頭直徑為80mm，成孔直徑最終為90mm。

4.1.3 裝藥結(jié)構(gòu)

爆破采用水膠炸藥，雷管采用符合煤安標(biāo)志的毫秒延期電雷管并按串聯(lián)布置，起爆方式采用延期雷管導(dǎo)爆索起爆。裝藥系數(shù)為0.7 左右，每米炮眼裝藥量約為3.6kg，炮泥裝填系數(shù)約為0.3，炮泥采用黃泥制作，如圖3 所示，圖中L 為炮眼長(zhǎng)度。

圖3 裝藥方式示意

4.2 施工要求

(1)炮眼采用雙雷管雙導(dǎo)爆索引爆，連續(xù)耦合方式裝藥，兩個(gè)雷管在孔口采用并聯(lián)連接，并用木塞固定，采用并聯(lián)回路。

(2)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工炮眼，并采取濕式打眼;裝藥和放炮前必須切斷所有相關(guān)電器設(shè)備電源。

(3)每次裝藥和放炮前必須對(duì)工作面和回風(fēng)巷及放炮地點(diǎn)的瓦斯和煤塵濃度進(jìn)行檢測(cè)，并在放炮前對(duì)工作面和回風(fēng)巷及整個(gè)回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的煤塵進(jìn)行徹底清洗。

表2 炮眼特征

表3 材料消耗

(4)放炮前所有人員必須撤至工作面膠帶巷內(nèi)，炮煙回風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)嚴(yán)禁有人，放炮人員必須站在距放炮地點(diǎn)500m 以外的工作面膠帶巷內(nèi)進(jìn)行放炮工作。

(5)放炮前工作面所有支架需在同一平面并界定良好，初撐力達(dá)到額定工作阻力80%以上，超前支護(hù)齊全完好達(dá)到設(shè)計(jì)要求，否則不得放炮。

(6)在工作面開切眼煤壁處打孔開始裝藥，裝藥前先清凈炮眼，用直徑0.7m，長(zhǎng)度1.5m 的木棒將藥卷、炮泥和導(dǎo)爆索裝入炮孔內(nèi)，同時(shí)，藥包要推至孔底，裝緊裝實(shí)，并用黃泥充填密實(shí)。

(7)放炮實(shí)行分組放炮，先放8 個(gè)掏槽眼，接著輔助眼，輔助眼每3 個(gè)1 組;要根據(jù)炮眼的性質(zhì)，使用不同段號(hào)的雷管，但每個(gè)炮眼內(nèi)使用的2個(gè)雷管段號(hào)必須相同。

(8)整個(gè)強(qiáng)制放頂工作結(jié)束后，有毒有害氣體和粉塵濃度達(dá)到規(guī)程要求后，工作人員方可進(jìn)入工作面正常工作。

5 結(jié)論

針對(duì)大采高工作面頂板的特殊條件(懸頂達(dá)到極限跨度時(shí)，往往發(fā)生突變失穩(wěn)，造成采場(chǎng)動(dòng)壓沖擊，壓死支架)，結(jié)合三道溝煤礦綜采工作面的實(shí)際情況及礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，采用理論分析，建立了堅(jiān)硬頂板弱化模型及方案，分析了強(qiáng)制放頂?shù)牧W(xué)特性，確定了大采高工作面切巷強(qiáng)制放頂主要參數(shù)。通過(guò)在85201 工作面的實(shí)施，削減了38%的炮眼數(shù)量，降低了27.9%的炸藥使用量，形成了一套較為完善的強(qiáng)制放頂弱化技術(shù)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)，達(dá)到了理想的爆破效果，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，為以后類似工作面強(qiáng)制放頂設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，并為實(shí)現(xiàn)包括大采高工作面的安全高產(chǎn)高效開采提供了可靠的技術(shù)保障。

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