付李華，婁芳

（新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學(xué)研究所，新疆烏魯木齊 830091）

博斯坦煤礦放頂煤工作面堅(jiān)硬頂板下初次放頂處理技術(shù)

付李華，婁芳

（新疆維吾爾自治區(qū)煤炭科學(xué)研究所，新疆烏魯木齊 830091）

針對(duì)博斯坦煤礦堅(jiān)硬頂板條件，采用“超前工作面深孔爆破控制堅(jiān)硬頂板”的方法，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)自然冒落，解決采空區(qū)堅(jiān)硬頂板冒落難的問題，為礦井的安全生產(chǎn)提供了條件。

堅(jiān)硬頂板；超前爆破；放頂煤

新疆托克遜縣布爾堿博斯坦鄉(xiāng)聯(lián)合煤礦采用斜井開拓方式，主采侏羅系下統(tǒng)八道灣組地層中的3-3號(hào)煤層。由于煤層頂板堅(jiān)硬難冒，為提高回采的安全性，必須對(duì)頂板進(jìn)行處理，以滿足工作面在安全條件下正?；夭?。

1 井田概況

礦區(qū)范圍內(nèi)僅有第四系上更新統(tǒng)、侏羅系下統(tǒng)三工河組、八道灣組出露，主要含煤地層為侏羅系下統(tǒng)八道灣組，現(xiàn)主采煤層3-3號(hào)煤層，頂板為鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖及粗砂巖層，煤層下部地層為中、細(xì)砂巖，泥砂質(zhì)膠結(jié)，巖性致密，裂隙不發(fā)育。構(gòu)造表現(xiàn)為一走向近東西、傾向北的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀由353°∠33°漸變?yōu)?45°∠37°，地層連續(xù)，地表及井下均未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，構(gòu)造形態(tài)極為簡(jiǎn)明。

礦區(qū)內(nèi)3-3號(hào)煤層頂板為砂礫巖或中砂巖，底板為粉砂巖，厚度穩(wěn)定，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，巖石整體性較好。依據(jù)檢測(cè)結(jié)果，其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 3-3號(hào)煤層物理力學(xué)試驗(yàn)成果

處理工作面位于主斜井以西的一采區(qū)一區(qū)段內(nèi)，工作面運(yùn)輸及回風(fēng)順槽均沿3-3號(hào)煤層走向布置，運(yùn)輸順槽標(biāo)高+1 123 m，回風(fēng)順槽標(biāo)高+1 150 m。工作面運(yùn)輸及回風(fēng)順槽均為梯形斷面、金屬網(wǎng)錨噴支護(hù)，采用走向長(zhǎng)壁懸移液壓支架放頂煤采煤法，工作面開幫高度2.0 m，放頂煤高度3.0m。

2 初次放頂頂板處理方法的選取

目前處理堅(jiān)硬頂板的方法主要有兩種：高壓注水弱化、超前預(yù)爆破處理。

超前工作面深孔預(yù)爆破處理堅(jiān)硬頂板是距工作面一定范圍內(nèi)，在運(yùn)輸、回風(fēng)兩巷向巷道上部頂板巖層使用鉆機(jī)打眼進(jìn)行爆破，使頂板巖層產(chǎn)生裂隙，促使頂板巖層應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，堅(jiān)硬難冒頂板變成隨采隨冒頂板[1]。該方法相對(duì)于高壓注水弱化方法，不受頂板巖性的限制，適用于對(duì)不同巖性的巖石頂板的控制,巖體內(nèi)爆破不受最小抵抗線限制，有效地控制不同高度的老頂巖體的堅(jiān)硬頂板。

結(jié)合博斯坦鄉(xiāng)聯(lián)合煤礦3-3號(hào)煤層的賦存條件，頂板管理采用“超前工作面深孔預(yù)爆破處理堅(jiān)硬頂板”的方法，初次放頂范圍為：自開切眼后端煤壁起13 m范圍內(nèi)。

3 超前預(yù)爆破工藝

3.1深孔爆破作用機(jī)理

深孔爆破由于無宏觀自由面，且采用不耦合裝藥方式，使其在爆炸沖擊波、應(yīng)力波作用下巖石破壞變?yōu)橐粋€(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程。炸藥在巖體中發(fā)生爆炸，炮孔周圍巖石在強(qiáng)烈的沖擊波及應(yīng)力波作用下，徑向發(fā)生著不同程度的破壞。

3.1.1 爆炸沖擊波的沖擊壓縮效應(yīng)

在炸藥發(fā)生爆炸的瞬間，產(chǎn)生高溫高壓作用，在炸藥與孔壁間隙中的空氣上形成了空氣沖擊波?？諝鉀_擊波對(duì)巖石產(chǎn)生沖擊壓縮效應(yīng)，其瞬時(shí)峰值壓力遠(yuǎn)大于巖石的抗壓強(qiáng)度，促使藥卷周邊巖石被破壞并形成粉碎區(qū)。

3.1.2 爆炸應(yīng)力波的壓縮、拉伸效應(yīng)

雖然爆破沖擊波產(chǎn)生的粉碎區(qū)范圍很小，但消耗了沖擊波的大部分能量，使得在粉碎區(qū)界面上衰減成為應(yīng)力波，并繼續(xù)在巖石中沿徑向傳導(dǎo)。巖石在應(yīng)力波的作用下，徑向上受應(yīng)力作用，切向上受拉應(yīng)力作用。由于巖石本身抗拉強(qiáng)度較低，在拉應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定范圍的徑向裂隙（由于巖石中存在一定的孔隙，相當(dāng)于微觀的自由面，更加有利于拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生徑向裂隙）。

3.1.3 爆炸震動(dòng)波的震動(dòng)效應(yīng)

爆炸所產(chǎn)生的應(yīng)力波使巖石的徑向產(chǎn)生裂隙，衰減后變?yōu)閺椥哉饎?dòng)波，并沿徑向向巖石內(nèi)部傳遞，直至消失。

3.1.4 爆炸氣體的氣楔效應(yīng)

在爆炸后，采用有效的堵孔方法及手段，爆破所產(chǎn)生氣體會(huì)在炮孔形成新的應(yīng)力場(chǎng)，擠入徑向裂隙，稱為“氣楔效應(yīng)”。

3.2初次放頂參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 頂板處理高度確定

1）炮孔頂端最大裝藥高度。回采過程中威脅安全生產(chǎn)的頂板主要承壓層即為下部的7.73 m中砂巖，超前預(yù)爆破的炮孔頂端必須達(dá)到這一高度，加之其上部有一層0.46 m煤層，使得下部處理區(qū)頂板更易于冒落，同時(shí)為提高頂板冒落高度，進(jìn)一步破壞上部高位老頂（主要為上部的9.75 m粉砂巖），因此確定炮孔頂端最大裝藥高度為13 m（支架上方高度，含3.0m的頂煤高度）。

工作面開切眼開幫回采高度2 m，處理后頂板直接冒落巖石的堆積高度約為采高的6倍（巖石碎脹系數(shù)取1.3），基本形成厚約13m的連續(xù)巖石墊層，可避免采空區(qū)后方上部老頂垮落時(shí)產(chǎn)生的空氣沖擊波對(duì)工作面的危害。在礦山壓力的作用下，采空區(qū)后方將不斷繼續(xù)冒落，直至地表。圖1為處理高度示意圖。

圖1 處理高度示意圖

2）炮孔下端裝藥高度。炮孔下端裝藥高度應(yīng)以不影響回采工藝為原則，保證工作面安全，并且炮孔要有足夠的充填堵塞長(zhǎng)度。根據(jù)上述原則[2]，確定炮孔下端裝藥高度為5m。

3.2.2 炮孔布置

炮孔位置主要根據(jù)工作面頂板巖性特征、處理主要承壓層及煤層傾角來布置[3]，初次放頂?shù)呐诳撞贾貌捎梅纸M雙側(cè)扇形布置的方式，在開切眼內(nèi)及運(yùn)輸、回風(fēng)順槽內(nèi)同時(shí)布設(shè)，共布置3組炮孔。

1）第1、2組（參數(shù)相同）炮孔：兩組炮孔主要用于切斷頂板的承壓層，在處理范圍內(nèi)形成爆破裂隙帶，降低頂板的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，促使其在采動(dòng)應(yīng)力作用下及時(shí)垮落。

2）第3組炮孔：為強(qiáng)化初次放頂?shù)男Ч诰嚅_切眼前方煤壁10m處的運(yùn)輸、回風(fēng)順槽內(nèi)采用雙側(cè)扇形布孔方式，布置第3組炮孔，運(yùn)輸順槽內(nèi)布置2個(gè)炮孔，回風(fēng)順槽內(nèi)布置3個(gè)炮孔。

3.2.3 炮孔參數(shù)

布置三組炮孔，共計(jì)15個(gè)孔，各炮孔參數(shù)如表2所示。

表2 初次放頂孔鉆爆參數(shù)

3.2.4 堵孔結(jié)構(gòu)及方式

本次爆破炮孔的堵孔結(jié)構(gòu)采用剛-塑-剛結(jié)構(gòu)，即在炮孔的上、下兩端使用專用水泥，中部使用黃土細(xì)砂等塑性材料填充。該結(jié)構(gòu)可保證爆炸氣體所產(chǎn)生的沖擊波，不沖孔，并能對(duì)巖石產(chǎn)生持續(xù)的破壞作用，提高爆破效果。

專用水泥選用錨固水泥卷，規(guī)格為：長(zhǎng)度25 mm，直徑35mm，每3卷捆扎在一起，浸水后人工推送至孔內(nèi)并搗實(shí)。

中部充填的黃土細(xì)砂配比為黃土：細(xì)沙：水= 75：20：5，由充填堵孔器輸送至孔內(nèi)。

每孔裝藥封孔完畢后，在孔口段應(yīng)留設(shè)不少于200mm的空段，用于放置聯(lián)結(jié)好的導(dǎo)爆索和雷管，隨后用黃土細(xì)砂封口。裝藥堵孔結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 裝藥堵孔結(jié)構(gòu)

4 頂板垮落狀況

初次放頂爆破工作結(jié)束后，在約10 d內(nèi)頂板開始逐漸冒落，15 d左右工作面后部已基本冒落，僅上端頭三角區(qū)未冒，架后局部存在約1m～2m的懸頂，采空區(qū)后方已被冒落巖石充填。架后冒落的巖石，基本為泥質(zhì)粉砂巖，塊度不大，可見到由拉應(yīng)力形成的次生裂隙。圖3為工作面垮落示意圖。

圖3 工作面垮落示意圖

5 結(jié)束語

采用超前預(yù)爆破處理堅(jiān)硬頂板，初次放頂效果明顯，減少了工作面大面積冒落造成的危害，符合國家相關(guān)安全要求。本項(xiàng)目的成功，對(duì)實(shí)施堅(jiān)硬頂板條件下放頂煤采煤工藝初次放頂具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1]李方立，王成，段長(zhǎng)壽.超前深孔預(yù)爆破處理堅(jiān)硬頂板的應(yīng)用[J].礦山壓力與頂板管理,2001(3)：72-74.

[2]趙文.超前深孔預(yù)裂爆破弱化采煤工作面堅(jiān)硬頂板技術(shù)研究[J].煤礦開采,2012,17(5):88-90.

[3]董福凱.頂板弱化處理法在開采堅(jiān)硬頂板煤層中的應(yīng)用[J].中國煤炭工業(yè),2011(12):38-39.

[4]李春睿.堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破新技術(shù)及其應(yīng)用[J].煤礦安全,2014,45(6)：76-78,82.

[5]王開.普采工作面堅(jiān)硬頂板控制及其研究[D].太原：太原理工大學(xué),2006.

[6]張杰.淺埋煤層頂板深孔預(yù)爆強(qiáng)制初放研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2012,29(3):339-343.

（編輯：樊敏）

First Top Coal Caving under Hard Roof of Top Coal W orking Face in Bositan M ine

FU Lihua,LOU Fang
(Coal Science Research Institute of the Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumchi,830091,China)

On the condition ofhard roof in Bositan Mine,Deep Hole Blasting in AdvanceWorking Face to Control Hard Roofwas used to realize natural falling of goaf and solve the challenge of difficult fallingof roof,which could create the condition for the safeproduction.

hard roof;advanceblasting;top coalcaving

TD327.2

A

1672-5050（2016）06-030-04 DO I:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.009

2016-04-21

付李華(1980-)，男，陜西渭南人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，從事礦山通風(fēng)及安全技術(shù)研究。