陳丁彰

【摘 要】 為提高工作面產(chǎn)量，本文以山西某礦大采高工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)工作面合理長(zhǎng)度以及頂板控制技術(shù)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，工作面的長(zhǎng)度與頂板冒落高度在一定范圍內(nèi)呈線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系，與頂板對(duì)工作面支架的載荷呈正相關(guān)關(guān)系，基于此最終確定工作面長(zhǎng)度為240m，并提出采用開(kāi)切眼爆破預(yù)裂與回采巷道超前爆破預(yù)裂的方法來(lái)降低工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐效果，該方案能夠有效實(shí)現(xiàn)工作面卸壓，達(dá)到安全開(kāi)采的目的。

【關(guān)鍵詞】 大采高;工作面長(zhǎng)度;支架載荷;爆破預(yù)裂

【中圖分類(lèi)號(hào)】 TD822，TD844+.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）03-0014-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

目前針對(duì)厚煤層開(kāi)采，大采高一次采全高采煤方式已經(jīng)普及，礦井經(jīng)濟(jì)效益與開(kāi)采效率有了巨大的提升。為了提高大采高工作面的生產(chǎn)效率，減少工作面的搬家次數(shù)，增大工作面的長(zhǎng)度成為趨勢(shì)。但工作面開(kāi)采長(zhǎng)度增大后，工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律有了明顯改變，巖層控制技術(shù)有別于常規(guī)方法。如何在現(xiàn)有設(shè)備條件下增大工作面開(kāi)采長(zhǎng)度，同時(shí)保證安全開(kāi)采是現(xiàn)在許多礦井需解決的問(wèn)題。針對(duì)此情況，本文以山西某礦大采高工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)工作面合理長(zhǎng)度與頂板控制措施進(jìn)行了研究，研究結(jié)果可為其他相似條件的礦區(qū)提供一定的參考意義。

1礦井概況

山西某礦開(kāi)采煤層為2號(hào)煤層，煤層的平均厚度為4.43m，傾斜角度平均為3°，現(xiàn)有工作面長(zhǎng)度為180m，工作面采高為4.5m，采用支撐掩護(hù)式液壓支架，型號(hào)為ZZ7500/22/45，支架的額定工作阻力為7500kN，支護(hù)強(qiáng)度為0.81MPa。2號(hào)煤層抗壓強(qiáng)度為19.6MPa，屬于中硬煤層，工作面直接頂為泥巖，巖層抗壓強(qiáng)度為6.83MPa，老頂為中砂巖，抗壓強(qiáng)度為81.7MPa，屬于堅(jiān)硬巖層，工作面頂?shù)装迩闆r如圖1所示。由于頂板巖層強(qiáng)度較大，工作面回采過(guò)程中采空區(qū)懸頂過(guò)長(zhǎng)。

2工作面長(zhǎng)度與頂板載荷分析

對(duì)于大采高工作面，液壓支架需承擔(dān)的壓力主要包括兩方面，分別為直接頂對(duì)支架直接作用的靜態(tài)載荷以及老頂巖層發(fā)生斷裂回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷，載荷計(jì)算公式為：

式中，Pm為液壓支架支撐載荷，MPa;Kd為老頂巖層發(fā)生斷裂回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù);qz為直接頂巖層的載荷，MPa。

直接頂巖層載荷qz計(jì)算公式為：

式中，γz為直接頂巖層的容重，kN/m3;hz為頂板巖層冒落帶高度，m，主要由頂板巖性、工作面開(kāi)采高度以及工作面開(kāi)采長(zhǎng)度決定，計(jì)算公式為：

式中，M為工作面開(kāi)采高度，m;Kp為頂板巖層冒落矸石的碎脹系數(shù)。

根據(jù)普氏平衡拱理論可知，工作面長(zhǎng)度與頂板冒落帶高度滿(mǎn)足下述公式：

式中，L為工作面的開(kāi)采長(zhǎng)度，m;ft為直接頂巖層抗壓強(qiáng)度，MPa，取為6.83MPa。

從上述公式可知，在頂板巖層強(qiáng)度一定的情況下，巖層冒落高度與工作面的傾斜長(zhǎng)度關(guān)系為線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)工作面選取合適的長(zhǎng)度時(shí)，需保證頂板冒落高度合理，頂板對(duì)支架的載荷不超過(guò)支架的額定支護(hù)強(qiáng)度。工作面開(kāi)采高度為4.5m，由于頂板巖層屬于堅(jiān)硬巖層，取巖層碎脹系數(shù)為1.22，按照工作面開(kāi)采后頂板冒落巖塊能夠充滿(mǎn)采空區(qū)，計(jì)算可得頂板巖層冒落高度最大為20.5m，此時(shí)工作面開(kāi)采長(zhǎng)度為280.1m。當(dāng)工作面長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí)，頂板冒落高度將不再增大，表明當(dāng)工作面長(zhǎng)度小于280.1m時(shí)，工作面長(zhǎng)度與頂板冒落高度成線(xiàn)性關(guān)系。

由于工作面在一定長(zhǎng)度內(nèi)，隨著工作面長(zhǎng)度的增大，頂板發(fā)生來(lái)壓時(shí)的動(dòng)載系數(shù)會(huì)不斷地增大，根據(jù)相鄰工作面礦壓觀(guān)測(cè)可知，當(dāng)工作面長(zhǎng)度為180m時(shí)，工作面動(dòng)載系數(shù)平均為1.46，當(dāng)工作面長(zhǎng)度為210m時(shí)，工作面動(dòng)載系數(shù)平均為1.62，此規(guī)律基本符合上述分析?；谄帐掀胶夤袄碚摚煌ぷ髅骈L(zhǎng)度下頂板的冒落高度以及支架支護(hù)強(qiáng)度如表1所示。

從表中可以看出，在工作面長(zhǎng)度變大后，頂板支護(hù)所需的強(qiáng)度也在不斷增大，由于該礦井支架支護(hù)強(qiáng)度最大為0.81MPa，在保證一定安全系數(shù)的情況下，確定工作面開(kāi)采長(zhǎng)度為240m。

3工作面頂板控制技術(shù)

由于工作面頂板屬于堅(jiān)硬頂板，工作面在推進(jìn)過(guò)程中其垮落步距較大，工作面對(duì)支架的載荷也在增大，當(dāng)頂板出現(xiàn)突然斷裂來(lái)壓時(shí)，將對(duì)工作面支架產(chǎn)生劇烈的沖擊，對(duì)工作人員的安全產(chǎn)生影響。因此本文提出采用爆破切頂卸壓的方法減小工作面垮落步距，減弱工作面來(lái)壓強(qiáng)度。爆破切頂措施主要包括兩方面，分別為開(kāi)切眼預(yù)裂爆破和巷道超前預(yù)裂爆破。

3.1開(kāi)切眼預(yù)裂爆破

工作面開(kāi)切眼爆破主要是在工作面正式回采前，對(duì)頂板進(jìn)行爆破預(yù)裂，使頂板巖層內(nèi)產(chǎn)生一定裂隙，釋放巖層內(nèi)積聚的能量，保證在回采過(guò)程中頂板能夠隨著工作面的推進(jìn)順利垮落從而充填采空區(qū)。開(kāi)切眼內(nèi)爆破鉆孔共布置兩排，分別為A、B，兩排炮孔均與巷道的軸線(xiàn)相平行，其中A組炮孔向工作面前方傾斜，B組炮孔向工作面后方傾斜，兩排炮孔呈現(xiàn)“倒八字”型。

A、B炮孔具體布置方案為：A組炮孔共布置17個(gè)，每個(gè)炮孔的深度為21.5m，從運(yùn)輸巷道回風(fēng)巷分別編號(hào)為1～16，A組炮孔向工作面前方打，與水平夾角為30°，裝藥深度為15m，封泥長(zhǎng)度為6.5m。B組炮孔共布置16個(gè)，炮孔間距為15m，炮孔深度為21.5m，B組炮孔向工作面后方煤壁打，與水平夾角為30°，炮孔裝藥深度為15m，封泥長(zhǎng)度為6.5m，A、B兩組炮孔的排距為1.5m。

3.2巷道超前預(yù)裂爆破

巷道超前預(yù)裂爆破鉆孔主要布置在回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷內(nèi)，鉆孔超前工作面布置，鉆孔按組進(jìn)行劃分，每組布置三個(gè)炮孔，每組炮孔的間距根據(jù)巷道內(nèi)頂板出現(xiàn)的節(jié)理裂隙面決定。巷道內(nèi)預(yù)裂爆破的目的是為了縮小工作面的周期來(lái)壓步距，考慮到相鄰工作面礦壓顯現(xiàn)情況，確定每組炮孔的間距為25m，每組布置3個(gè)炮孔，炮孔的間隔為1m。炮孔在工作面推進(jìn)至與其距離為10m時(shí)進(jìn)行預(yù)裂爆破。

3.3應(yīng)用效果

通過(guò)上述研究最終確定工作面長(zhǎng)度為240m，采空區(qū)頂板采用垮落法進(jìn)行處理，并且初采前在頂板進(jìn)行爆破預(yù)裂，同時(shí)在工作面推進(jìn)過(guò)程中在巷道進(jìn)行超前爆破預(yù)裂，保證工作面頂板能夠及時(shí)垮落，降低工作面來(lái)壓強(qiáng)度。在方案確定后在22118工作面進(jìn)行了實(shí)踐，同時(shí)對(duì)工作面回采至300m范圍的礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，圖4為支架工作阻力監(jiān)測(cè)圖。

在工作面推進(jìn)期間，工作面基本頂初次來(lái)壓步距為34.4m，周期來(lái)壓步距在16～19m范圍內(nèi)，平均為17.8m，過(guò)去相鄰工作面回采時(shí)，初次來(lái)壓步距為36.7m，周期來(lái)壓步距平均為20.5m，對(duì)兩者進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)裂爆破后工作面頂板來(lái)壓步距出現(xiàn)明顯減少。根據(jù)對(duì)工作面液壓支架工作阻力的統(tǒng)計(jì)可知，支架的最大工作阻力為7348kN，平均循環(huán)末阻力為6788kN，支架工作阻力未超過(guò)其最大工作阻力，表明現(xiàn)有液壓支架能夠滿(mǎn)足工作面長(zhǎng)度增大后的生產(chǎn)能力。在工作面長(zhǎng)度增大后，按照推進(jìn)距離為1500m算，工作面可增加產(chǎn)量56.7萬(wàn)t，礦井經(jīng)濟(jì)效益具有顯著提升。

4結(jié)論

本文以山西某礦堅(jiān)硬頂板大采高工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，對(duì)工作面合理長(zhǎng)度與頂板控制措施進(jìn)行了研究，研究結(jié)果具體如下：

（1）大采高工作面的長(zhǎng)度與頂板冒落高度在一定范圍內(nèi)呈線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系，與頂板對(duì)工作面支架的載荷呈正相關(guān)關(guān)系，根據(jù)工作面長(zhǎng)度與頂板冒落高度關(guān)系，確定工作面長(zhǎng)度為240m。

（2）提出采用開(kāi)切眼爆破預(yù)裂與回采巷道超前爆破預(yù)裂的方法進(jìn)行卸壓，并對(duì)爆破炮孔參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（3）實(shí)施頂板控制措施后工作面平均周期來(lái)壓步距由過(guò)去的20.5m降為17.8m，來(lái)壓步距有了明顯的降低，并且現(xiàn)有液壓支架能夠滿(mǎn)足工作面生產(chǎn)需求，表明本文研究方案合理，具有較好的應(yīng)用效果。

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