扈國紅

（山西焦煤集團(tuán)有限公司官地礦，山西 太原030022）

煤礦生產(chǎn)過程中，因地質(zhì)條件的復(fù)雜性經(jīng)常遇見各種各樣的問題，堅(jiān)硬頂板一直是生產(chǎn)過程中的難題，國內(nèi)學(xué)者李俊斌以淮南礦為背景，研究了急傾斜煤層過程中液壓支架的工作受力以及參數(shù)的設(shè)計(jì)，其采用的偽傾斜柔性掩護(hù)支架采煤法在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中對(duì)支架的受力起到了很好地作用，為淮南礦的安全生產(chǎn)提供了保障，也為淮南礦帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[1]；王栓存、石平五研究了較厚煤層采煤工藝下支架的性能，利用相似材料模擬和三維數(shù)值分析了采煤過程中礦山壓力以及分布，在數(shù)學(xué)分析方法下成功地提高了支架的性能，對(duì)于巷道支護(hù)也提出了很好地見解[2]；張衛(wèi)民探討了急傾斜煤層的開采方法以及開采過程中因?yàn)轫敯宓葐栴}造成的生產(chǎn)停滯問題[3]，文中的急傾斜工作條件與本文研究內(nèi)容類似，本文也是在急傾斜煤層的條件下對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行了預(yù)防處理措施；周邦遠(yuǎn)、陳顯坤、聶春輝等利用自主研制的大傾角液壓支架對(duì)傾斜煤層進(jìn)行支護(hù)，并在長臂綜合機(jī)械化采煤工作面進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)成功地驗(yàn)證了支架的可行性，支架成功地起到支護(hù)作用，控制了頂板移動(dòng)量，減小工作面因?yàn)椴蓜?dòng)而帶來的震動(dòng)以及大塊巖層掉落帶來的問題[4]。

本文結(jié)合國內(nèi)眾多學(xué)者的研究，在急傾斜煤層條件下，針對(duì)堅(jiān)硬頂板問題，從巷道礦山壓力角度借助數(shù)值模擬軟件對(duì)爆破后堅(jiān)硬頂板進(jìn)行了應(yīng)力分析，同時(shí)，詳細(xì)地介紹了爆破處理方法中炮孔的位置，炮孔間的距離以及炮孔深度等參數(shù)，并在實(shí)際工程中取得了良好的結(jié)果，為堅(jiān)硬頂板處理提供了可靠的參數(shù)以及數(shù)據(jù)支持。

1 堅(jiān)硬頂板綜采工作面礦壓現(xiàn)狀及數(shù)值模擬

堅(jiān)硬頂板是指頂板巖石厚度大、強(qiáng)度高、不容易垮落的巖層。在煤礦生產(chǎn)過程中，堅(jiān)硬頂板是困擾生產(chǎn)者多年的問題。堅(jiān)硬的頂板依靠自身質(zhì)量應(yīng)力很難實(shí)現(xiàn)自己脫落，因此礦井工作人員必須實(shí)施人工干擾甚至爆破等方法實(shí)現(xiàn)頂板脫落。實(shí)施人工干擾后，工作面會(huì)瞬間承受較大的壓力，嚴(yán)重情況下，會(huì)造成礦井地震等情況。因此實(shí)施難度較大，危險(xiǎn)性較高。

這里借助FLAC3D以及RFPA2D數(shù)值模擬軟件對(duì)工作面頂板應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了模擬，模擬中利用庫倫-莫爾準(zhǔn)則判斷頂板是否破壞：

式中：σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力，c為黏結(jié)力，ψ為摩擦角。在一般應(yīng)力作用下，巖層在應(yīng)力作用下發(fā)生拉破壞，當(dāng)fs＞0時(shí)，巖層發(fā)生剪切破壞。

在此基礎(chǔ)上，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)頂板進(jìn)行了模擬分析，在堅(jiān)硬頂板模擬圖中可以看出，工作面的最大主應(yīng)力隨著距開切眼距離的增加而減小，對(duì)于堅(jiān)硬頂板，選取了開切眼，距離開切眼37 m、44 m以及50 m四個(gè)點(diǎn)側(cè)重觀察堅(jiān)硬頂板的受力狀況。顯然，在開切眼處7 m左右的位置煤壁所受的主應(yīng)力最大，距離開切眼37 m處，煤壁所受的主應(yīng)力開始迅速降低，最大主應(yīng)力隨著推進(jìn)距離的增加持續(xù)降低。當(dāng)工作面推進(jìn)到距離開切眼50 m時(shí)，煤壁的主應(yīng)力出現(xiàn)突然升高。對(duì)爆破軟化后的頂板模擬中，選取了開切眼，距離開切眼27 m、48 m以及50 m四個(gè)點(diǎn)規(guī)律相比堅(jiān)硬頂板類似，在距離開切眼7 m處煤壁的應(yīng)力最大，在50 m處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力突增，不同的是，在進(jìn)行爆破軟化處理后的堅(jiān)硬頂板整體所受的應(yīng)力相較堅(jiān)硬頂板下降了一個(gè)量級(jí)，且自煤壁最大主應(yīng)力開始，煤壁所受的主應(yīng)力一直處于迅速下降的趨勢。可見，因?yàn)楸铺幚矸绞剑瑘?jiān)硬頂板受到拉伸破壞和剪切破壞綜合破壞方式，巖層的完整性遭到破壞，抗壓強(qiáng)度也隨著降低。在相同支架的支護(hù)作用下，煤壁所受應(yīng)力也自然減小，這也充分解決了堅(jiān)硬頂板難處理的問題（見圖1）。

在實(shí)際煤層開采中，煤層一般都有一定的傾斜角度，支架在支護(hù)頂板的過程中，支架的中部和上部承受較大壓力，下部承壓相對(duì)較小。如果碰見頂板堅(jiān)硬，底板松軟的情況，支架極容易陷入底板并且出現(xiàn)傾斜滑倒等情況，如果不對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行預(yù)處理，巷道得不到很好地支護(hù)保護(hù)作用，掉落的煤炭以及矸石對(duì)工作人員會(huì)造成一定程度的威脅，煤炭生產(chǎn)會(huì)停滯，所以遇見堅(jiān)硬頂板，實(shí)施人工干預(yù)是很好地舉措。

圖1 工作面最大主應(yīng)力變化曲線

2 堅(jiān)硬頂板處理方法

通過堅(jiān)硬頂板的數(shù)值模擬機(jī)理分析得到，進(jìn)行堅(jiān)硬頂板的預(yù)處理是解決堅(jiān)硬頂板問題的必要措施。超前預(yù)爆破處理堅(jiān)硬頂板是效率最高，處理效果較好的方法，我們將詳細(xì)討論此方法。

炮孔的布置位置及深度等參數(shù)都會(huì)影響到爆破的效果，如圖2所示。將炮孔分為奇數(shù)組和偶數(shù)組，奇數(shù)組的炮孔布置在端頭切斷孔、輔助端頭孔和輔助老頂孔處，奇數(shù)組靠近工作面；偶數(shù)孔布置在端頭切斷孔和輔助老頂孔處，炮孔均勻的布置在回風(fēng)巷道和運(yùn)輸巷道兩條巷道處。在炮孔的布置上采用雙側(cè)布孔方法，奇數(shù)組布置于老頂切斷孔、輔助孔老頂和一個(gè)端頭孔各一個(gè)炮孔；偶數(shù)組布置于老頂切斷孔、輔助孔老頂孔、端頭切斷孔和輔助端頭孔處各四個(gè)炮孔。原理上，炮孔的直徑要大于裝藥的直徑，本文炮孔直徑大于裝藥直徑30 mm，炮孔與煤層夾角為25°，采用不偶合裝藥結(jié)構(gòu)，利用2根導(dǎo)火索進(jìn)行引爆。

圖2 炮孔布置平面示意圖

此方案為某礦實(shí)際工程中我們設(shè)計(jì)的方案，在實(shí)際的實(shí)行中，炮孔間距定位7 m，布置好后，引爆導(dǎo)火索，超前預(yù)爆破處理堅(jiān)硬頂板達(dá)到了很好的效果，實(shí)現(xiàn)了壓力的減小。隨著工作面的推進(jìn)，我們依然改進(jìn)方案，都達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。可見，超前預(yù)爆破處理減小了頂板垮落的距離，降低了因?yàn)閳?jiān)硬頂板瞬間大面積垮落帶來的突然來壓，煤壁脫落等現(xiàn)象。對(duì)于工作面液壓支架，因?yàn)榭迓洳骄嗟臏p小，支架中上部承受的壓力與會(huì)隨即減小，能夠更好地對(duì)巷道起到支護(hù)作用，從而保證工作面的順利推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)。

3 結(jié)論

1）堅(jiān)硬頂板會(huì)影響到煤礦生產(chǎn)的眾多環(huán)節(jié)，實(shí)行人工干預(yù)處理的辦法能夠有效地控制事故的發(fā)生。

2）通過FLAC3D數(shù)值模擬分析可以得到，爆破弱化后頂板所受的主應(yīng)力較堅(jiān)硬頂板所受主應(yīng)力大小明顯得到改善，為堅(jiān)頂板的處理提供了理論依據(jù)。

3）采用不偶合裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行超前預(yù)爆破處理，結(jié)果顯示，工作面堅(jiān)硬頂板垮落步距明顯減小，所受壓力強(qiáng)度明顯降低，為控制頂板因大面積垮落帶來的周期性壓力、煤塊矸石大塊掉落以及工作面的正常生產(chǎn)給出了可行性方案。