综放工作面开切眼深孔预裂的理论和实践研究.pdf

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s t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ；mt h em i n i n gp r o c e s si ti se a s yt of o r ma l a r g ea r e ao f r o o fo v e r h a n g ，e s p e c i a l l yt h el a r g e ro v e r h a n ga r e ae a r l yr e c o v e r y ． U n d e rt h ec o n d i t i o n st h eu s eo fr o o fi sc a v i n gm i n i n g ；s i n c et h ee a r l yp e r i o d o fm i n i n gg o a fr o o fc a nn o tc o l l a p s e ；i te a s i l yl e a dt o pc o a lc r u s h i n g ；b r a c k e td o n o tt a k et h et o pb r a c k e t ，a n df a c ed i f f i c t d t i e si n m o v i n gf r a m ea n dl e a k a g e ． W h e ns u d d e n l yal a r g ea r e ao f c o l l a p s e ，t l l e yw o u l ds t a n d ab i gi m p a c t d e s t r u c t i o n ；W h i l et h em i n e do u ta r e ao f h a r m f u lg a s e s ，I te a s i l Yl e a dt of a c e g a sg a u g e ． T h e r e f o r e ，t h i ss i t ei saI a r g ea r e at op r e v e n tp r e s s u r ep r o b l e m s ；i td o e s n ’t r e c o v e r e dd u r i n gt h ee a r l yt o pc o a lm i n i n g ，r e s o u r c ew a s t e ．T h e r e f o r e ，i nt h e p r o c e s so f c o a lm i n i n gh a r dr o o f , i ti sn e c e s s a r yt ow e a k e nt h et o pp l a t e ，S Ot h a t i tC a np r o m p t l yc o l l a p s e ，t h u s e n s u r i n g t h ef a c eo fs a f e p r o d u c t i o n ，a n d i m p r o v i n g r e s o u r c er e c o v e r y ． S t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h ec o a ls e a mc o n d i t i o n si nO u rc o u n t r yi s c o m p l e x i t y ，t h e r ee x i s t st h et h r e a to fh a r d r o o fo v e rh a l fo fm i n e ，v i s i b l es e a m s a r eh a r dr o o fi sq u i t ec o r r l l ／l o n ．F o rn o wm e c h a n i z e dm i n i n gf a c ea l s oh a sa38 ％ b e l o n gt ot h eh a r dr o o f ．C u r r e n t l y ，m o s to ft h eh a r dr o o fb l a s t i n gw e a k e n i n g t e c h n o l o g y r e l i e s e x p e r i e n c e ，a n ds y s t e m a t i cs t u d yo ft h et h e o r y o fp l a t e I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 w e a k e n i n gt e c h n o l o g yi sn o t m u c h I nt h i sp a p e r ，y uW UC o a lN 210 5f a c ea st h em a i no b j e c to f s t u d y ，t h eu s eo f p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l t e s t i n gl a b o r a t o r y , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n df i e l dp r a c t i c e sa n do t h e rm e t h o d s ，h a st h eh a r dr o o fo p e nd e e p c u ti nt h ep r e - s p l i tb l a s t i n gt h e o r ya n dp r a c t i c eo ft h es y s t e mR e s e a r c h ．T h e m a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 T h r o u g ht h em i n ef i e l dr e s e a r c ha n dd a t ac o l l e c t i o n ，a n dp r o c e s s i n g m e t h o d st o g r a s p t h e e m p t y a r e a y um u C o a lm i n i n gu n d e rp r o d u c t i o n c o n d i t i o n s ，r o o fc o n t r o la n dm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yt op r o v i d eb a s i cd a t af o r r e s e a r c hp r o j e c t s ．O nt h i sb a s i s ，t h eN 210 5C o a lS e a ma n dr o o fa n df l o o rp i l o t s t u d yo fp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m a s t e rN 2 10 5C o a lS e a ma n dt o p ， p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f r o c kb o t t o m ．N 2 1 0 5f a c eo l dr o o f w h i c h u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h10 7 ．9 6 M P a ，t e n s i l es t r e n g t h5 ．7 7M P ai sah a r d r o o t jl h c ei se a s yt of o r mal a r g ea r e ao fr o o fo v e r h a n gd u r i n gt h ei n i t i a l m i n i n g ．T h e r e f o r ei t i sn e c e s s a r yt ow e a k e nt h er o o fi na d v a n c et oe n s u r e p r o d u c t i o ns a f e t yf a c e ． 2 O nt h eb a s i so fl a b o r a t o r yp a r a m e t e r so nt h er e s u l t i n gr o c km e c h a n i c s ， w et h e o r e t i c a l l y a n a l y s i sN 2 10 5m i n i n gf a c eh a r dr o o fS t r a t aB e h a v i o ra n d s e c u r i t yr i s k s ，a n ds e l e c tO p e nC u tD e e pP r e s p l i tw a yt ow e a k e nN 2 10 5f a c e r o o f ． 3 O nt h eb a s i so ft h er e s u l t i n gr o c km e c h a n i c sla b o r a t o r yp a r a m e t e r s ， t h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sw eg e tN 2 10 5F a c eD e e pP r e s p l i tt h em a i n p a r a m e t e r s ．T h ec h o i c e o fm i n e b l a s t i n g u s e p e r m i s s i b l et h r e ee m u l s i o n e x p l o s i v e s ，d r u g sr o l l d i a m e t e r6 0 m m ，b l a s t h o l ed i a m e t e r7 5 t u r n ，h o l es p a c i n g g u n7 m ，v e r t i c a ld e p t ho f15 ．2 m ，b l a s t h o l ee l e v a t i o n4 5O ，b o r e h o l ed e p t ho f 21 ．5 m ，c o n t i n u o u sd e c o u p l i n gc h a r g e ，n oc o u p l ec o e f f i c i e n t1 ．2 5 ．e a c hb l a s t h o l e c h a r g ec a p a c i t yo f 4 5 k g ，ac h a r g e ，d e t o n a t i n gt h r e eg u n se a c hh o l e ． r 4 R e s p e c t i v e l y , u s i n g s o f t w a r eU D E Cn u m e r i c a ls i m u l a t eC o a lN 210 5 o v e ry u m uf a c et h a td i dn o tc u tt h et o pa n dc u tt h et o pi nt W Oc a s e sb l a s t i n gr o o f T V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 b r e a k i n gd o w nt h es i t u a t i o n ．W h e nn o tc u tt h et o pf a c e ，t h ei n m a e d i a t e r o o f c a v i n gf i r s ts t e pi s 21m ，b a s i cr o o ff i r s tw e i g h t i n gs t e p4 5 m ；t h ef a c et o p p e r s 、 i m m e d i a t er o o fc a v i n gs t e pm t ot h ef i r s t12 m ，b a s i cr o o ff i r s tw e i g h t i n gs t e p b e c o m e s3 3 m ，a n dt h ei n i t i a lp r e s s u r ei n t e n s i t yd e c r e a s e d ． 5 D e v e l o par e a s o n a b l ec o n c l u s i o nb a s e do nt h ea b o v eC u tD e e pP r e s p l i t o p e np l a na n dp r e p a r ear e a s o n a b l eb l a s t i n gp r o c e s sb a s e do nf i e l de x p e r i e n c e ． F i n a l l y , o n - s i t ep r a c t i c e ．P r a c t i c es h o w st h a tt h eu s eo ft h er e s e a r c hr e s u l t s ，t h e e f f e c t i v ep r e v e n t i o no fe a r l ym i n i n gf a c ei sal a r g ea r e ao ft h er o o ft ot h e p r e s s u r e c a u s e db yh a z a r d s ；M e a n w h i l e ，a h e a do ft h e t o p c o a l r e c o v e r y ．， e c o n o m i c ，s e c u r i t ya n de f f i c i e n c ys i g n i f i c a n t l y ，p r o v i d i n gf o rf u l l ym e c h a n i z e d c a v i n gm i n i n gf a c eu n d e rs i m i l a rc o n d i t i o n sr e f e r e n c e ． K E YW O R D S m e c h a n i z e dc a v i n gw o r k p l a c e ，h a r dr o o f , h o l eb l a s t i n g ，i n i t i a l p r e s s u r e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题的依据和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 坚硬顶板弱化技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 深孔松动爆破技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 研究目的、内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．3 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 第二章工作面概况及实验室物理力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 工作面位置及四邻情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．1 煤层情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 ．2 顶底板情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．3 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．4 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l l 2 ．3 瓦斯、煤层及自燃发火情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 工作面巷道布置及支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．5 工作面生产技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．6 项板管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．6 ．1 工作面支架的布置方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．6 ．2 端头支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．6 ．3 超前支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．7 煤层和顶、底板岩石物理力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 V I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论义 2 ．7 ．1 岩样密度的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．7 ．2 岩样抗压强度的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．7 ．3 岩样抗拉强度的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．7 ．4 岩样内聚力和内摩擦角的测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．7 ．5 试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 第三章N 2 1 0 5 工作面矿压显现特征理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．1 关键层理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．2 老顶初次来压步距分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．3 老顶周期来压步距分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．4N 2 1 0 5 工作面初采期间采空区大面积悬顶的安全隐患⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．1N 2 1 0 5 工作面采空区自由空间高度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 3 ．4 ．2N 2 1 0 5 工作面采空区悬顶面积分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．5N 2 1 0 5 工作面宜采用的顶板弱化处理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 第四章预裂爆破基本理论及主要参数的理论确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．1 爆破基本理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 ．1 无限介质中爆炸破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．1 ．2 煤岩体中柱状药包爆破产生的爆炸载荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．1 ．3 爆炸载荷作用下的破坏准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 ．4 条形 柱状 药包爆破波作用区域的理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 影响爆破的主要因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3N 2 1 0 5 工作面预裂爆破材料确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 顶板弱化合理高度确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．5N 2 1 0 5 工作面预裂爆破其它参数的理论确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 第五章顶板预裂效果的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．1U D E C 介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 V I I 工 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．2U D E C 模拟岩体节理的基本方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．3 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 5 ．4 模拟结果及其分析⋯⋯．． _ 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． ⋯⋯⋯⋯．．5 3 ⋯⋯⋯⋯．．5 7 第六章项板深孔预裂爆破方案及爆破效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．1 顶板深孔预裂爆破方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．1 ．1 炮孔布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．1 ．2 炮孔施工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．1 ．3 炮孔爆破工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．2 顶板预裂效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．2 ．1 放炮前后支架阻力统计分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．2 ．2 爆破期间有害气体监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．2 ．3N 2 1 0 5 工作面与未预裂工作面矿压显现特征对比⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．2 ．4 初采期间瓦斯浓度对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．2 ．5 顶煤回收效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 第七章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． ．．7 9 ．．8 0 ．．8 l 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 附录A 攻读硕士期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 附录B 攻读硕士期间参与的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 I X 鸲 的 龃 叭 鹇 鹋 ％ 盯 ％ 两 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 选题的依据和意义 第一章绪论 坚硬项板强度高，节理、裂隙不发育，具有整体性好和自稳能力强等特点，在开采 过程中容易形成大面积悬顶，特别是回采初期悬顶面积更大【】- 3 】。在该顶板条件下采用综 放开采，初采期间由于采空区顶板不能及时垮落，极易导致顶煤破碎、支架不接项、移 架困难及工作面漏风。突然大面积垮落时，又会对支架造成大的冲击性破坏．同时将采 空区内的大量有害气体瞬间挤出，从而导致工作面瓦斯超限，甚至形成破坏力极强的飓 风。例如 2 0 0 9 年三元王庄煤业3 0 4 3 工作面，初采时采空区悬顶面积大，煤壁大面积片帮， 项煤破碎，支架不接顼，移架困难，初采期间每天煤壁注浆费用高达3 0 多万元，采煤 成本严重增加； 2 0 0 0 年5 ～6 月份，鲍店矿5 3 0 8 综放工作面突然来压，压死2 3 个支架，压坏1 6 棵立柱，压坏上四连杆2 3 个，并把架间管路切断，给生产带来极大困难 2 0 11 年晋煤集团长平矿4 3 0 7 工作面，初采时采空区悬项面积大，工作面漏风严重， 导致工作面推进速度过慢，当工作面推进4 0 m 左右时，顶板突然大面积垮落，造成工作 面瓦斯连续三天超限，严重影响工作面正常生产 2 0 0 8 年5 月新疆库车县的夏库坦煤矿采煤工作面采空区悬顶面积达7 3 4 4m 2 ，原先 预留的3 道煤柱已经不能承受住顶板压力，导致面积达7 3 4 4m 2 的悬顶瞬问垮落，由于 采空区内没有任何填充物，4 ．7 7 万m ，的有害气体被压出，巨大的冲击波瞬间冲毁了密 闭墙，并将正在进行采煤作业的悬移支架破坏，造成正在井下作业的8 名矿工因吸入有 害气体或被冲击波震荡死亡，6 人受重伤的重大事故1 4 1 。 潞安集团余吾煤业主要可采煤层为3 号煤层，煤层厚度一般在5 ．O O ～7 ．2 5 m ，平均 5 ．9 9 m ，煤层埋藏深度为在4 5 0 “ - - - - 6 0 0 m 左右。直接顶为灰黑色泥岩与砂质泥岩，厚度一 般4 ．5 m 左右，部分采区煤层直接顶厚度仅为1 ．2 ～2 ．5 m ；老顶为浅灰色细砂岩 局部相 变为厚层状灰白色中砂岩 ，厚度达7 ．2 6 m1 7 ．4 7 m 。理论和现场实测表明老顶初次垮 落步距一般在4 0 m ～5 0 m 左右，又余吾煤业3 号煤层工作面长度为3 0 0 m 左右，则初采 期间采空区悬顶面积可达1 2 0 0 0 m 2 - - - 1 5 0 0 0 m 2 。 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 落步距一般在4 0 m - - 5 0 m 左右，又余吾煤业3 号煤层工作面长度为3 0 0 m 左右，则初采 期间采空区悬顶面积可达1 2 0 0 0 m 2 - ～l5 0 0 0 m 2 。 考虑老顶岩层弯曲沉降，初采期问顶煤若不回收，项煤和直接顶垮落后一般能够有 效充填采空区，老顶初次垮落对支架的冲击破坏性不大；若顼煤回收，采空区自由空间 高度为2 - - 3 m 左右，大面积垮落时会给工作面生产带来安全隐患。特别是，采空区约 2 ．4 ～4 ．5 万r n 3 的有害气体被瞬间压出极易导致工作面瓦斯浓度超限。因此，有必要研究 采前顶板弱化的方法，确保工作面生产安全。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 坚硬顶板弱化技术研究现状 目前国内外主要有以下几种坚硬顶板弱化技术 1 注水弱化坚硬顼板 岩石注水弱化的机理是使注入岩体中的水与岩石矿物产生物理、化学的综合作用， 使岩石矿物向着分离、分散、松散、比重变小、硬度降低方向转化，从而导致岩体强度 降低。顶板岩体注水软化效果取决于岩石的矿物成分、结构、节理裂隙程度、胶结情况 及水质、软化时间等因素。由于岩石浸水后软化程度不一，因此只有达到～定软化效果 后才具有实际意义。注水弱化顼板有如下两种方式1 5 - 8 】 ①顶板高压注水 顶板高压注水是从工作面顺槽或专用巷道 工艺巷 向项板打深孔，进行高压注水。 利用高压水对顶板进行压裂，其作用是增加和扩展项板原始裂隙，高压水在岩体中 形成压力坡降，使水更好地在岩体中透过裂隙、节理、层理及其他弱向而渗流，从而在 岩体中产生水力的、机械的、物理和化学的作用。高压注水的压力变化，可引起岩体内 应力的重新分布，也可使岩体产生塑化作用。这种方法目前在国内处于试验阶段，在波 兰、澳大利亚已经成为坚硬项板处理的主要手段之一。 ②顶板静压预注水 顶板静压注水是使顶板含水率提高，降低顶板的强度，使项板垮落距离缩小，避免 顶板来压过于强烈。但该方法应用的前提必须是顶板岩石吸水性强，且吸水后其强度明 显降低，否则不能应用。 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 可知，工作面顶板中致密坚硬的老项砂岩为主要弱化处理对象，由于高压注水压裂与注 水软化周期长，因此工作面顶板处理方法不宜选用注水弱化的方法处理项板。 2 注入静态破碎剂弱化坚硬顶板 静态破碎剂弱化坚硬顶板是使膨胀剂与水在项板深孔中发生反应，通过所产生的膨 胀压将顶板压裂。此方法具有安全、环保的优点，但在我国仍处于起步阶段，技术仍不 成熟 9 - t o ] ①反应开始时间不确定。工作人员不易把握破碎剂反应开始的时间，从而无法确定 撤离时问 ②反应时间长。静态破碎剂反应需要的时间较长，影响工作面生产； ③地压影响。膨胀剂会自然的选择压力低的方向发生膨胀，由于地压的影响，孔口 往往是压力最低的地方，如果封孔强度达不到要求，将导致膨胀剂发生冲孔，发生安全 事故； ④配套设备缺乏。目前，静态破碎剂弱化坚硬顶板还处在起步阶段，在井下环境中 配套机械设施还比较的缺乏，水灰的配比只能靠工人经验来决定，这样容易造成药剂浪 费，同时还有可能引发安全事故。 3 爆破弱化坚硬项板 爆破弱化坚硬顶板的方法在我国煤矿开采初始就已使用，各项措施完善，技术成熟。 目前爆破弱化坚硬顶板的方法主要有【m 11 2 】 ①循环式浅孔爆破。每隔一两个循环在切顼线位置像顶板打一部分浅孔，装药爆破， 使被处理部分顶板提早冒落，将采空区充填，缓和项板来压时的冲击，但此方法严重影 响生产，不适用于高推进速度的综采工作面。 ②步距式深孔爆破 步距式深孔爆破是在顶板周期来压前，从工作面向采空区方向项板打深孔，进行爆 破，使项板沿着爆破所形成的沟槽折断，从而将顶板切断，减顶板小冒落面积。 ③地面深孔爆破。从地面向井下采空区打深孔，到达工作面顶板位置，然后装药爆 破。此方法安全性高，但是当工作面埋深较大时，炮孔深度太大，打钻成本高，不易采 用。 。 ④超前深孔松动爆破。提前从两顺槽或工艺巷向顶板打深孔，装药爆破，切断顶板， 缩小顶板周期来压步距。 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 ③地面深孔爆破。从地面向井下采空区打深孔，到达工作面顶板位置，然后装药爆 破。此方法安全性高，但是当工作面埋深较大时，炮孔深度太大，打钻成本高，不易采 用。 ④超前深孔松动爆破。提前从两顺槽或工艺巷向顶板打深孔，装药爆破，切断顶板， 缩小顶板周期来压步距。 ⑤开切眼深孔预裂爆破。在工作面回采前，在支架后放打一排深孔，提前将顶板切 断，缩短顶板初次垮落步距，不影响工作面正常生产，有利于工作面生产能力的实现。 1 ．2 ．2 深孔松动爆破技术的研究现状 由于爆破的过程极其迅速，再加上岩石介质的非均匀性和研究手段的局限性，使得 人们对爆破机理的研究变的非常困难。近些年来，随着科技的发展，依靠各种先进的研 究方法，各国学者通过对爆破理论的认识建立各种不同的数学模型，对爆破的机理取得 了许多成果，但仍然未能形成统一的认识。爆破机理研究的主要内容有①爆破载荷的 作用形式；②爆炸载荷作用下岩石的破坏准则【1 - 1 4 1 。 1 爆破载荷的作用形式 ①应力波破坏理论 该理论认为，炸药爆炸时产生的应力波 入射波 向四周传播，被自由面反射形成 反射波。岩石受入射波和反射波的共同作用，入射波对岩石产生压缩作用，反射波形成 拉伸作用，而岩石是脆性材料，其抗拉强度远小于其抗压强度，当反射波形成的拉伸强 度大于岩石的抗拉强度时，岩石发生破坏，故该