煤峪口矿回采工作面坚硬顶板预裂爆破处理.pdf

Ｓ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｎ ｏ ． ６ １ ５ Ｊ ｕ ｌ ｙ ２ ０ ２ ０ 现 代 矿 业 Ｍ Ｏ Ｄ Ｅ Ｒ ＮＭ Ｉ Ｎ Ｉ Ｎ Ｇ 总 第６ １ ５ 期 ２ ０ ２ ０ 年 ７月第 ７期 杨大炳（ １ ９ ８ ５ ） ， 男， 工程师， ０ ３ ７ ０ ０ ３山西省大同市。 煤峪口矿回采工作面坚硬顶板预裂爆破处理 杨大炳 （ 山西大同煤矿集团有限公司煤峪口矿） 摘 要 针对煤峪口矿回采工作面顶板坚硬且不易自然垮落的问题， 通过现场实测考察与分析， 决定采用超前深孔预裂爆破的方式对工作面顶板进行提前处理， 以达到提前弱化顶板的目的。研究 表明 经在工作面回采巷道向煤层坚硬顶板内布置超前深炮孔进行爆破后， 工作面顶板来压情况稳 定， 且在来压期内工作面煤壁稳定， 液压支架工作正常。 关键词 顶板坚硬 深孔预裂 顶板来压 煤壁稳定 Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ ４  ６ ０ ８ ２ ． ２ ０ ２ ０ ． ０ ７ ． ０ ３ ０ 对于上覆较大厚度坚硬顶板的煤层回采工作面， 由于其顶板普遍具有强度较大、 稳定性较好、 内生节 理裂隙不发育等特征， 故其在工作面煤层采出后常以 较大面积悬露于采空区内且悬露时间较长。这样一 来， 不仅会导致工作面漏风严重， 更为严峻的是， 当大 面积顶板突然垮落时， 极易引起较强烈的冲击波， 从 而对整个工作面带来较大的危害。因此， 实际中通常 需要采用人为控制的方式处理此类坚硬顶板， 有诸多 学者曾对此进行了研究［ １  ５ ］。针对煤峪口煤矿综采工 作面顶板坚硬、 厚度较大且不易自然垮落的特征， 考 虑到该工作面采空区顶板悬露面积大且悬露时间较 长， 在严重制约工作面正常推进、 高产高效的同时， 极 易引起采空区顶板突然垮落而带来的强烈冲击波危 害。综合考虑决定在工作面回采巷道内布置超前深 孔， 对工作面顶板进行预裂爆破的方式处理煤层上覆 坚硬顶板， 并详细研究了爆破炮孔的布置方式与布置 参数。实际应用研究结果表明， 采用超前深孔预裂爆 破的方式处理工作面坚硬顶板后， 工作面直接顶与基 本顶垮落步距均能够保持在合理、 可控范围内； 同时 在顶板来压期间内， 工作面煤壁未见明显片帮、 垮落 的现象， 可实现工作面安全稳定、 高产高效的正常推 进。 １ 工程概况 同煤集团煤峪口矿 ８ ６ ０ ５采煤工作面位于井田 ９ ０ ０ｍ水平 ４ ０ ６盘区， 该工作面地面标高 １２ ８ ４ ． ３～ １３ １ ９ ． ７ｍ ， 井下标高 ９ ０ ０～９ ２ ６ｍ ， 工作面北部为 ８ ６ ０ ３工作面（ 已回采） ， 南部为 ８ ６ ０ ７工作面（ 已回 采） ， 东部为 ４ ０ ６盘区轨道、 皮带、 回风巷， 西部为 ４ ０ ８ 东部盘区巷。该工作面倾斜长度为 １ ２ ９ ． ６ｍ ， 可采长 度为 ５ ４ ０ｍ ， 可回采面积为 ８ ６８ ６ ２ｍ ２， 可采储量为 ２ ０ ８７ ３ ６ｔ ， 工作面运输顺槽为矩形机轨合一巷， 长度 ７ １ ７ｍ ， 回风顺槽为矩形巷， 长度 ７ ５ ８ｍ 。本工作面设 计开采煤层为 １ ４  ２ ＃层煤， 工作面区域内的煤层厚度 在 １ ． ７～ ３ ． ６ｍ ， 平均煤厚２ ． ５ｍ ， 煤层倾角１ ～ ３ ， 平 均倾角为 ２ ， 煤层中含有夹层， 夹层平均厚度为 ０  ８ ｍ ， １ ４  ２ ＃ 煤层呈半暗型， 较硬， 含节理。 ８ ６ ０ ５回采工作面采用单一走向长壁后退式综合 机械化采煤方法， 双向割煤， 采高为 ２ ． ５ｍ ， 采煤机截 深为 ０ ． ５ｍ ， 循环进度为 ０ ． ５ｍ 。该回采工作面顶板 为较大厚度的坚硬砂岩层， 顶板赋存情况如表 １所 示。 表 １ 采场顶板岩性特征 顶板名称岩石名称厚度／ ｍ岩性特征力学特征 老顶粗砂岩５ ． ０ ８ 以石英长石为主， 胶结坚实。 普氏系数 １ ５～ １ ６ 直接顶粉砂岩３ ． ６ ０ 以石英长石为主， 钙质胶结。 普氏系数 １ ５～ １ ６ 伪顶 细砂岩与粉 砂岩互层 ２ ． ５ ４ 以石英长石为主， 钙质胶结。 － ２ 顶板处理方式 由于 ８ ６ ０ ５综采工作面直接顶和基本顶均为坚 硬、 不易垮落的砂岩层， 且其厚度较大、 整体性较好、 内生裂隙不发育、 稳定性较好， 因此， 在回采工作面推 进过程中极易出现顶板大面积悬露、 不易自然垮落的 现象［ ６ ］。针对此回采工作面顶板赋存特征， 为了保 障工作面的安全与正常推进， 现需要采取合理、 有效 的方法对工作面采空区顶板进行人为弱化处理， 即需 改变顶板的赋存形态或改变顶板砂岩层的物理强度， 以使其能够正常垮落， 减小采空区悬顶面积， 防止大 面积、 大强度的顶板来压现象对工作面回采造成危 害。 ２０１ 通常， 对回采工作面坚硬顶板的处理方式有注水 弱化和爆破弱化 ２种方式。其中， 高压注水弱化顶板 是通过采用高压水对顶板形成水压致裂， 使得坚硬顶 板岩层在外力作用下产生塑性破坏与变形， 从而产生 与增加岩层内裂隙节理的扩展与发育， 加快、 促进顶 板的自然垮落。而静压注水弱化顶板是通过采用低 流量水对顶板坚硬岩层进行长时间湿润、 弱化， 此方 法可使得坚硬顶板内含水量提高、 强度降低， 从而能 够减小顶板垮落步距， 降低顶板来压后因冲击压力过 于强大而威胁到工作面生产的风险。 注水弱化顶板的方式操作简便、 风险较低， 但其 应用对象有限， 所研究的 ８ ６ ０ ５综采工作面上覆坚硬 砂岩顶板吸水能力较差， 在注水吸水后， 其物理强 度变化不明显， 同时该类顶板弱化周期较长。因此， 注水弱化顶板的方式不适用于本工作面坚硬顶板的 处理。而爆破弱化顶板是通过人为打孔放炮以切 断顶板， 从而使得顶板提前垮落并充填采空区的坚硬 顶板处理方式， 此处理顶板的方式可人为的控制顶板 的冒放角度与冒放面积， 合理降低顶板垮落带来的冲 击压力。爆破弱化顶板在其方法上主要有顶板浅孔 爆破、 顶板深孔爆破、 顶板超前深孔预裂爆破等几种， 根据 ８ ６ ０ ５回采工作面具体布置情况以及顶板特征， 为了能够实现工作面割煤与放顶作业同步进行， 加快 工作面的推进、 生产速度， 现综合考虑对 ８ ６ ０ ５综采工 作面采用超前深孔预裂爆破顶板的方式处理其煤层 上覆坚硬砂岩顶， 该处理方式可合理地把握顶板冒放 的高度与跨度， 减小顶板的一次垮落面积， 近可能地 达到理想的放顶效果。 ３ 顶板预裂方案 超前深孔预裂爆破即在采煤工作面回采巷道内 向未采煤层顶板进行打孔爆破， 以达到提前对煤层顶 板形成塑性破坏、 释放压力的目的， 待工作面推进至 已破坏顶板处煤层后， 其原坚硬顶板将随工作面回采 推进而自然垮落， 该处理方式可有效缩短顶板的来压 步距， 降低顶板悬露时间过长而产生冲击地压的风 险。 ３ ． １ 爆破深度确定 为了能够使得爆破垮落的顶板能够完全充填回 采采空区， 应设置合理的深孔爆破放顶深度， 据 ８ ６ ０ ５ 综采工作面布置情况可知， 工作面设计采高为 ２ ． ５ ｍ ， 则本次爆破有效最小深度 Ｈ ｍ ｉ ｎ应满足以下要求 Ｈ ｍ ｉ ｎ＝Ｍ／ （ Ｋｐ－１ ）， （ １ ） 式中， Ｍ为采高； Ｋ ｐ为岩石碎胀系数， 取 １ ． ３ 。 则 Ｈ ｍ ｉ ｎ＝ ２ ． ５ ／ （ １ ． ３－ １ ）＝ ８ ． ３ｍ 。 为便于实际工程施工， 同时保证工作面放顶充填 效果， 拟定 ８ ６ ０ ５工作面顶板爆破范围为工作面煤层 上方垂直 ９ｍ深度范围内坚硬岩层。 ３ ． ２ 爆破炮眼布置 在 ８ ６ ０ ５工作面回采运输巷和回采风巷每隔 ２ ０ ｍ布置 １组超前爆破孔组， 每巷每组共计布置 ８个炮 孔， 如图 １所示， 炮孔打眼钻机型号为 Ｍ Ｋ  ４型钻机。 图 １ 巷道炮孔布置（ 单位 ｍ） 由图 １可知， 其中， １ ＃～ ５＃孔与回采工作面平行、 呈扇形布置， ６ ＃～ ８＃ 孔与巷道中线呈 ２ ０ 夹角布置， 炮 孔具体布置参数如表 ２所示。 表 ２ 巷道炮孔布置参数 炮孔编号炮孔长度／ ｍ炮孔仰角／ （ ）炮孔水平角／ （ ） １ ＃ １ ０４ ２９ ０ ２ ＃ １ ９２ ５９ ０ ３ ＃ ２ ９１ ７９ ０ ４ ＃ ４ ６１ １９ ０ ５ ＃ ５ ６８９ ０ ６ ＃ ９４ ５２ ０ ７ ＃ １ ７２ ７２ ０ ８ ＃ １ ５１ ７２ ０ 爆破炮孔布置完毕后， 采用 Ｂ Ｆ  ２ ０ ０型爆破起爆 器进行爆破， 爆破起爆顺序依次为由内向外， 每次爆 破起爆 ２个炮孔， 并分组装药、 分别爆破， 即按照 ５ ＃ 、 ６ ＃ 、 ７ ＃ 、 ８ ＃ 、 １ ＃ 、 ２ ＃ 、 ３ ＃ 、 ４ ＃的顺序依次爆破， 爆破起爆时 炮孔孔底距离回采工作面保持在 １ ０～ ２ ０ｍ 。 ４ 应用效果分析 在通过以上方式对工作面顶板进行超前深孔预 裂爆破后， 工作面煤层上覆坚硬顶板强度与稳定性明 显降低， 为了更进一步检验顶板处理效果， 现通过矿 压观测的手段对工作面直接顶初次垮落步距以及工 作面基本顶初次来压情况进行观测分析。 经实测、 统计分析， ８ ６ ０ ５综采工作面直接顶初次 垮落步距为 ８ ． ５～ ２ ０ ． ７ｍ ， 平均垮落步距为 １ ４ ． ６ｍ ， 且在工作面直接顶来压之前， 工作面煤壁较为完整稳 定， 未出现明显的破碎、 片帮的现象。同时， 据工作面 基本顶初次来压观测情况可知， 工作面基本顶初次垮 落步距在１ ７ ． ０～ ３ ８ ． ９ｍ ， 平均垮落步（ 下转第１ ０ ６ 页） ３０１ 杨大炳 煤峪口矿回采工作面坚硬顶板预裂爆破处理 ２ ０ ２ ０年 ７月第 ７期 现开口等现象。 （ ５ ） 支架与运输机开始角力， 随着支架真斜角 α 不断增大， 支架的与运输机的夹角逼近临界角。支架 顶梁之间的间隙不断减小， 摩擦力加剧， 支架在拉移 过程中出现“ 头慢脚快” ， 底座上扬的现象。而在下 山过程中， 支架的推移梁连接于运输机将先于支架底 座出现下山角度。２种情况导致支架推移梁与底座 分离。因支架的向右推移量大于运输机位移量， 支架 的推移梁移降到支架左侧底座， 推移梁彻底脱轨， 角 力结束。支架不再受到运输机的反作用力， 所有脱轨 支架只受到重力的偏转力矩， 支架与运输机的夹角快 速达到临界角度。 （ ６ ） 因 Ｓ段、 Ｂ段支架都出现了向右的真斜角， 整部运输机必定向右窜动。而支架的底座宽度小于 顶梁， 在顶梁“ 抱死” 的时候， 支架底座还将有一定的 活动间隙。运输机的水平向右窜动过程中， 支架底座 也将随运输机有了一定距离的位移。支架开始向左 倒架。 ４ 结 语 支架发生倒架的因素主要有真斜角的增大逼近 临界角、 运输机因变坡产生的收敛窜动以及支架推移 位移步调不一致而发生的角力。在实际的综采工作 面倒架时， 上述情况多是同时发生， 同时作用。即坡 段支架真斜角的增大， 运输机的窜动， 推移梁与支架 底座的角力同时存在。从文中论述可以看出， 在倒架 发生前若运输机有一个下滑的趋势； 即运输机向左窜 动， 则坡段支架的真斜角将会得到抑制。若倒架发生 前运输机有上窜的趋势， 即运输机向右窜动， 则坡段 支架的真斜角将会增大。这种情况也正好说明容易 上窜的较大支架更容易发生倒架。而综采工作面液 压支架倒架是一个受力累积过程，有比较复杂的力 学原因。要防止支架倒架需要控制好支架的真伪斜 角， 降低伪斜角， 杜绝真斜角［ １  ３ ］。主要的预防措施包 括合理调整运输机窜动。对于运输机下滑工作面采 用多次小斜采调整。防止伪斜角度过大， 同时运输机 窜动出现真斜角， 真伪叠加逼近临界角［ ６ ］。对于运 输机上窜工作面采用减小与等高线夹角的斜采推进， 减小运输机两头落差， 同时要防止运输机因局部落差 变化对支架施加急剧的偏转力矩， 提前调整运输机窜 动， 降低支架的真斜角度［ ４  ５ ］。 参 考 文 献 ［ １ ］ 陈 宁． 综采工作面液压支架倒架机理及防治措施［ Ｊ ］ ． 矿业装 备， ２ ０ １ ９ （ ３ ） １ １ ０  １ １ １ ． ［ ２ ］ 赵潇越． 综采工作面液压支架倒架原因分析及预防措施［ Ｊ ］ ． 机 械管理开发， ２ ０ １ ９ ， ３ ４ （ ２ ） ２ ９ ３  ２ ９ ４ ． ［ ３ ］ 邱世杰． 大采高综采工作面液压支架倒架原因及预防措施［ Ｊ ］ ． 机械管理开发， ２ ０ １ ８ ， ３ ３ （ ３ ） １ ８ ２  １ ８ ３ ． ［ ４ ］ 肖 曲． 大采高综采工作面液压支架倒架原因及预防［ Ｊ ］ ． 内蒙 古煤炭经济， ２ ０ １ ６ （ ７ ） １ １ ０  １ １ １ ． ［ ５ ］ 白金海． 综采工作面液压支架倒架原因及处理［ Ｊ ］ ． 江西煤炭科 技， ２ ０ １ ６ （ ２ ） ２ ４  ２ ６ ． ［ ６ ］ 任治飞． 综采工作面液压支架倒架的原因及纠正［ Ｊ ］ ． 机械管理 开发， ２ ０ １ ６ ， ３ １ （ １ １ ） １ ９ ２  １ ９ ３ ． （ 收稿日期 ２ ０ ２ ０  ０ ５  ０ ８ 櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 ） （ 上接第 １ ０ ３页） 距为 ３ ０ｍ ， 基本顶初次来压影响距 离平均约为 ６ ． ６ｍ ， 初次来压影响时间平均约为 ８ ． ９ ｈ ； 此外， 据工作面液压支架数据表明， 在工作面基本 顶来压期间内， 液压支架平均阻力为 ５０ ５ ２ｋ Ｎ ， 与支 架设计工作阻力 ６０ ０ ０ｋ Ｎ相比仍有一定的富余阻 力。因此， 综合工作面矿压观测结果分析， 所采用的 超前深孔预裂爆破坚硬顶板的方式可达到工作面煤 层顶板在回采前提前破坏， 随工作面推进后自然垮 落， 且能保证回采工作面安全无隐患的目的。 ５ 结 论 （ １ ） ８ ６ ０ ５综采工作面顶板坚硬且吸水率较低， 综 合考虑采用超前深孔预裂顶板的方式对顶板进行提 前破坏处理。 （ ２ ） 结合 ８ ６ ０ ５综采工作面采高布置， 确定对该 工作面顶板的爆破深度为煤层以上垂直高度 ９ｍ范 围。 （ ３ ） 经工作面顶板超前预裂爆破后， 工作面直接 顶与基本顶来压情况稳定， 且在顶板来压期间内， 工 作面煤壁稳定， 液压支架工作正常。 参 考 文 献 ［ １ ］ 吕玉佳． 坚硬厚层顶板弱化前后采场矿压显现规律研究［ Ｊ ］ ． 当 代化工研究， ２ ０ ２ ０ （ ４ ） ３ ８  ３ ９ ． ［ ２ ］ 赵 猛， 张晓明， 王 楠， 等． 深部坚硬顶板厚煤层开采冲击矿 压规律及防治技术［ Ｊ ］ ． 煤矿安全， ２ ０ ２ ０ ， ５ １ （ １ ） ８ ９  ９ ３ ． ［ ３ ］ 杨世春． 坚硬顶板综采面初采深孔预裂爆破技术研究［ Ｊ ］ ． 江西 煤炭科技， ２ ０ ２ ０ （ １ ） ３ １  ３ ５ ． ［ ４ ］ 温有财． 坚硬顶板预裂爆破强制放顶数值分析［ Ｊ ］ ． 山东煤炭科 技， ２ ０ １ ９ （ １ ０ ） ５ ９  ６ ０ ， ６ ４ ， ７ ２ ． ［ ５ ］ 高小强， 谢永昌， 于宏溪． 综放工作面厚层坚硬顶板深孔预裂爆 破技术研究［ Ｊ ］ ． 煤炭技术， ２ ０ １ ９ ， ３ ８ （ ９ ） ８ ２  ８ ５ ． ［ ６ ］ 赵海峰． 恒源煤业 １ ５ １ ３ ０ ３工作面坚硬顶板深孔预裂爆破技术研 究［ Ｊ ］ ． 煤矿现代化， ２ ０ １ ９ （ ６ ） １ ７ １  １ ７ ４ ． （ 收稿日期 ２ ０ ２ ０  ０ ４  ０ １ ） ６０１ 总第 ６ １ ５期现代矿业２ ０ ２ ０年 ７月第 ７期