堅(jiān)硬厚層頂板采場(chǎng)初采強(qiáng)制放頂技術(shù)研究

1、堅(jiān)硬厚層頂板采場(chǎng)初采強(qiáng)制放頂技術(shù)研劉國(guó)慶李饒榮種德雨周虎神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司摘要：為解決工作面初采期間堅(jiān)硬厚層頂板長(zhǎng)期懸露、不垮落的問題，利用數(shù)值模擬、 參數(shù)優(yōu)化等方法，結(jié)合工業(yè)性試驗(yàn)，分析并驗(yàn)證了預(yù)裂爆破技術(shù)在初采初放時(shí) 的可行性和優(yōu)越性。研究表明，工作面初采期間采用預(yù)裂爆破技術(shù)能夠改變?cè)?的頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)，可以有效避免堅(jiān)硬厚層頂板釆場(chǎng)基木頂初次來壓時(shí)存在的動(dòng) 載沖擊危險(xiǎn)性，為煤礦安全高效開采提供技術(shù)保障，也為相似條件下的頂板礦 壓管理提供了借鑒。關(guān)鍵詞：堅(jiān)硬厚層頂板;初采強(qiáng)制放頂;初次來壓;礦壓控制;沖擊危險(xiǎn)性;作者簡(jiǎn)介：劉國(guó)慶（1984-），男，釆礦工程師，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)釆

2、礦工程 專業(yè)，主要負(fù)責(zé)礦井生產(chǎn)技術(shù)管理工作。收稿日期：2017-09-15received： 2017-09-150引言頂板安全事故長(zhǎng)期困擾著我國(guó)的煤礦安全生產(chǎn)，尤其在堅(jiān)硬厚層頂板開采條件 下，問題更加突出1-3。20世紀(jì)50年代以來，我國(guó)開始對(duì)堅(jiān)硬頂板礦壓控制 進(jìn)行了專項(xiàng)研究，不僅在生產(chǎn)實(shí)踐中積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且在理論方面 的研究也取得了豐碩成果。概括來講，己經(jīng)形成了以“穩(wěn)基礎(chǔ)”和“弱結(jié)構(gòu)”兩 類方法為主的技術(shù)體系。其中，“穩(wěn)基礎(chǔ)”主要包括留設(shè)煤柱、采空區(qū)充填等手 段。此類方法流程復(fù)雜、煤炭采岀率低、綜合成本高;而以弱化頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)為 出發(fā)點(diǎn)“弱結(jié)構(gòu)”技術(shù)體系，方法涵蓋爆破、注水、化學(xué)

3、等施工工藝，比較適合 對(duì)淺埋煤層堅(jiān)碩厚層頂板采場(chǎng)進(jìn)行初采礦壓控制。1工程概況42113工作面為涼水井煤礦首采盤區(qū)第13個(gè)綜采工作面，工作面長(zhǎng)4 240 m,切 眼長(zhǎng)315 m,煤層均厚3. 0 m,傾角03。，煤層埋深約110 mo采用長(zhǎng)壁綜合機(jī) 械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，后退式冋采。42113工作面煤層賦存穩(wěn)定、埋深較淺、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，屬于瓦 斯礦井。煤層上方賦存有一層厚度約0. 30 m的泥巖、碳質(zhì)泥巖偽頂，直接頂為 厚度約6.66 m的細(xì)粒砂巖，基本頂為厚度約32. 75 m的細(xì)粒砂巖、粉砂巖，直 接底為厚度約12.87 m的粉砂巖。該區(qū)內(nèi)無地質(zhì)構(gòu)造分布。探

4、測(cè)表明，水平應(yīng)力 場(chǎng)的影響不明顯。2工作面初采強(qiáng)制放頂數(shù)值模擬2.1模型建立采用udec數(shù)值計(jì)算軟件，在礦井42113工作面實(shí)際地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立簡(jiǎn) 化后的平面模型。模型長(zhǎng)315叭 高120 m,如圖1所示，模型頂?shù)装逦锢砹W(xué) 參數(shù)選取情況如表1所示。模型采用平面應(yīng)變模式，模型的左、右邊界及底部邊 界采用位移約束邊界條件。圖1 udec數(shù)值計(jì)算模型 下載原圖巖性1 l 1 11石層密度/(kg/fn 0內(nèi)聚力 m pa內(nèi)摩/c松散層1 9001.11基巖層2 5004.21u4 石層基本頂2 700103直接頂2 50022煤1 40011底板2 500102節(jié)理真節(jié)理51假節(jié)理01模擬對(duì)

5、比不放頂和放頂2種情況，分別逐步開挖煤層，并在上覆巖層中布置監(jiān) 測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)控在此過程屮工作面不同推進(jìn)度時(shí)覆巖的位移、應(yīng)力等規(guī)律。2. 2模擬結(jié)果分析2. 2. 1頂板垮落形態(tài)演化工作面推進(jìn)過程中不放頂和放頂2種方案對(duì)應(yīng)的頂板垮落情況對(duì)比如圖2所示。（）不放頂espjflh tut* iuqjsc4.00lggpgpa-her 訶 皿 05 q7 osbbt<b<1.0l»oc(k£o.ooabod v” kixmib<k»1mook plotttaaca ccdnaltid< group, ftous 血xmafsclijuds（bj不放

6、頂由圖2分析可知，當(dāng)工作面推進(jìn)16 m時(shí)，直接頂己經(jīng)大規(guī)模、大范圍地冒落下 來，此后基本頂懸頂距離隨著采場(chǎng)繼續(xù)推進(jìn)而不斷加大。當(dāng)工作面推進(jìn)到24 m 時(shí)，由于采取放頂措施已經(jīng)將放塊體開挖，所以基本頂巖層兩端的水平推力無 法繼續(xù)傳遞，同不放頂時(shí)相比，后方失去橫向力，基本頂回轉(zhuǎn)沉降、并在采空區(qū) 側(cè)觸肝，煤壁側(cè)壓在直接頂上。當(dāng)工作面推進(jìn)至32 m時(shí)，2種情況下的基本頂 巖塊均全長(zhǎng)、徹底垮下來，頂板沉降趨向于穩(wěn)定。2. 2. 2覆巖應(yīng)力及運(yùn)移分析采取不放頂和放頂2種方案分別對(duì)應(yīng)的工作面推進(jìn)過程屮基本頂處的垂直應(yīng)力 變化特征如圖3所示。由圖3可知，在采取強(qiáng)制放頂措施時(shí)，當(dāng)工作面推進(jìn)至 24 in以后，基

7、本頂巖塊在煤壁一側(cè)的垂直應(yīng)力由壓應(yīng)力變成了拉應(yīng)力，即其值 由正變負(fù)，說明放頂措施在一定程度上抑制了頂板大面積、整體切落失穩(wěn)事故的 發(fā)生。_2d 乏 v®<sm違弋運(yùn)旳00掩塢工作面推進(jìn)過程中不放頂和放頂2種方案對(duì)應(yīng)的基木頂處的沉降量走勢(shì)變化規(guī) 律如圖4所示。由圖4可以看出，如果沒有采取強(qiáng)制放頂措施，那么直接頂垮落 將會(huì)給基本頂帶來約500 mm的位移量變化，直到工作面推進(jìn)到32叭基本頂發(fā) 生初次垮落。所以，基本頂處安放的測(cè)線反饋信息是位移量陡然增至2 500 mmo 在強(qiáng)制放頂條件下，開挖初期的位移量與不放頂時(shí)無太大區(qū)別。開挖到24 ni時(shí), 由于基木頂巖塊發(fā)牛了旋轉(zhuǎn)下沉，由圖

8、3可見，此時(shí)的位移量約為2 900 mmo 此后，工作面繼續(xù)前進(jìn)，基本頂巖塊的運(yùn)移趨向于緩和，基本頂完成初次來壓。工作而推進(jìn)距禺a(chǎn)工作面推進(jìn)距離血-3500綜合而言，在釆取了強(qiáng)制放頂措施以后，基木頂初次來壓提前，來壓過程趨緩, 給生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的采場(chǎng)頂板礦壓控制預(yù)留出了足夠的應(yīng)對(duì)時(shí)間。這也證明了初采強(qiáng)制 放頂?shù)暮侠硇院蛢?yōu)越性。3工作面初采強(qiáng)制放頂參數(shù)優(yōu)化3.1合理的放頂步距根據(jù)以往的研究，1/151/7板厚與板寬比值是薄板礦壓理論對(duì)“薄板”的理論 性臨界界定。由于煤層開采后，頂板懸露面積不斷變大，板邊處承受彎矩不斷變 大，直至達(dá)到初次來壓步距。起初在板的某邊屮間部位(煤壁處)產(chǎn)生斷裂，當(dāng) 工作而繼續(xù)

9、推進(jìn)，懸頂距以及板邊處承受的彎矩隨之變大，將會(huì)在板的各邊均 出現(xiàn)裂縫。當(dāng)板各邊的裂縫互相貫通后，將形成“0”型裂縫線，隨后在板的中 央部位也將由于彎矩過大而形成裂縫，最終基木頂板結(jié)構(gòu)將發(fā)?！?-x”型斷裂 。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，巖梁將首先在屮部開裂，所以要在基本頂達(dá)到極限垮落步 距之前進(jìn)行預(yù)裂爆破，及時(shí)、有效、合理地進(jìn)行初采放頂，結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)際， 放頂步距確定為20 mo3.2爆破作用區(qū)范圍及炮孔間距確定研究表明，在頂板松動(dòng)性預(yù)裂爆破的時(shí)候，碎塊拋擲是不可能發(fā)生在巷道壁自 由面上的，所以從外部來說不會(huì)有顯著的爆炸痕跡。當(dāng)爆破效應(yīng)發(fā)生在巖體內(nèi)部 時(shí)，如果不考慮爆炸空腔，根據(jù)爆炸形成的影響程度，巖

10、體從炸源到外部呈輻 射狀并逐漸地被環(huán)向劃分成壓縮破碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū)，采用平面應(yīng)變方法處 理爆破發(fā)牛后的巖體內(nèi)應(yīng)力問題。(1) 巖體壓縮破碎區(qū)影響半徑的確定。爆炸沖擊波引起的壓應(yīng)力致使巖體中出現(xiàn) 了一部分壓縮破碎區(qū)。利用mises屈服破壞條件，并結(jié)合涼水井煤礦42113工作 面巖性特征及參數(shù)，計(jì)算出巖體壓縮破碎區(qū)影響半徑rc二0.1274 n)o(2) 頂板裂隙區(qū)范圍確定。爆破的主要有效破壞范圍并非壓縮破碎區(qū)，而是其外 圍的裂隙區(qū)，從力學(xué)作用機(jī)理上講，爆炸沖擊波引起的拉應(yīng)力和爆牛氣體的膨 脹應(yīng)力一起導(dǎo)致了裂隙區(qū)。所以，爆破裂隙區(qū)從2個(gè)方面分析，第一是應(yīng)力波的 動(dòng)作用，第二是爆生氣體的準(zhǔn)靜態(tài)作

11、用。根據(jù)應(yīng)力波作用后拉裂破壞區(qū)的影響半徑公式計(jì)算，應(yīng)力波作用后拉裂破壞區(qū) 的影響半徑rpi=0. 826 mo根據(jù)爆牛氣體作用下的裂紋擴(kuò)張準(zhǔn)則，在不考慮爆牛氣體在裂紋中傳播時(shí)的衰 減情況下，經(jīng)計(jì)算得出爆生氣體作用導(dǎo)致的裂隙發(fā)展、擴(kuò)大范圍r薩2.913 mo綜合而言，頂板裂隙區(qū)范圍r,=rp1+rp2=3. 739 mo 頂板松動(dòng)性預(yù)裂爆破孔間距確定。依據(jù)以上的計(jì)算分析結(jié)論，相鄰2個(gè)爆孔 之間的影響范圍為：/?max=2 x （rp+rc+口） =7.83 m式中：r論為頂板松動(dòng)性預(yù)裂爆破孔最大間距，叫凡為頂板裂隙區(qū)范m；rc為巖 體壓縮破碎區(qū)影響半徑，叫口為炮孔半徑，mo由于工作面頂板是厚硬巖

12、層，而且破壞頂板完整性、促使基本頂及時(shí)有效冒落是 爆破的基本出發(fā)點(diǎn)，再加上工作而開采強(qiáng)度、爆破工程繁簡(jiǎn)等多方而的原因，最 終將炮孔間距設(shè)計(jì)成6 mo4工程實(shí)踐在42113工作面切眼內(nèi)共布置鉆孔52個(gè)，切眼內(nèi)呈一字形布置，垂深5.716.9 m,切眼內(nèi)炮眼中線與切眼中心線重合，孔距為6叫炮眼成孔直徑92 mmo具體 布置如圖5所示。圖5中1' 6'及16孔為掏槽眼，7-52孔為輔助眼（每 17個(gè)1組）。13及1' 3'鉆孔為正北傾向眼，4, 6,及4-52鉆孔為正 南傾向眼，傾角都是45° o42114工作面切眼圖5炮孔布置下載原圖 根據(jù)實(shí)測(cè)反饋情況，強(qiáng)

13、制放頂后直接頂破碎冒落。工作面推進(jìn)20 m左右時(shí)，支 架壓力有所增大，工作面頂板局部出現(xiàn)淋水;工作面推進(jìn)53 m吋，采空區(qū)頂板開 始出現(xiàn)大范圍大塊肝石垮落，并伴隨著強(qiáng)烈的巖爆聲，部分支架壓力達(dá)到40 mpa以上，工作而涌水量增大，達(dá)到600 m/h以上。此時(shí)基本頂初次來壓?；?頂初次來壓期間工作面頂板沒有出現(xiàn)大面積同時(shí)垮落現(xiàn)象，說明深孔爆破強(qiáng)制 放頂措施方案合理，取得了較好的工程效果。5結(jié)論為解決工作面初采期間堅(jiān)硬厚層頂板長(zhǎng)期懸露、不垮落的問題，工作面初采強(qiáng)制 放頂可以有效預(yù)防堅(jiān)碩厚層頂板大面積來壓事故的發(fā)生。通過udec數(shù)值模擬研 究，表明工作面基本頂初次來壓步距為30 m,采取方案對(duì)比法，驗(yàn)證了工作面 初采強(qiáng)制放頂?shù)膶?shí)踐可行性與技術(shù)優(yōu)越性。根據(jù)礦井實(shí)際地質(zhì)條件，進(jìn)行了參數(shù) 優(yōu)化，確定深孔爆破的合理放頂步距為20 m,炮孔布