李 剛

（潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036706）

堅硬頂板是指煤層上方存在的高強(qiáng)度完整性巖層。與普通頂板相比較，堅硬頂板易造成大面積懸頂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤體壓力增大，同時頂板破斷往往伴隨著巨大的能量釋放，易引發(fā)礦井災(zāi)害。目前處理堅硬頂板的措施主要有高壓注水技術(shù)、煤柱支撐技術(shù)、預(yù)裂爆破技術(shù)等。其中預(yù)裂爆破技術(shù)由于其操作簡單、成本較低而作為主要技術(shù)手段。本文以潞寧煤礦24012 工作面為研究背景，針對厚層堅硬頂板大面積懸露現(xiàn)象，設(shè)計相匹配的強(qiáng)制放頂技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場實測確定合理的爆破參數(shù)，實踐成果可為類似工程案例提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

24102工作面位于井田西南部的二四采區(qū)，上部、下部均為未采動區(qū)域。開采侏羅系大同組上部的2#煤，煤層厚度1.0～5.0 m，平均厚度3.5 m，f=3.5，煤層傾角為2°～3°，平均傾角2.5°。煤層直接頂為3～7.3 m 厚的泥巖與粉砂巖，多為交替出現(xiàn)，強(qiáng)度低且易破碎，抗壓強(qiáng)度為10.6～17 MPa；基本頂為細(xì)粒砂巖，厚15 m，石英為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，致密完整，裂隙不發(fā)育，單軸抗壓強(qiáng)度為50～80 MPa，屬于堅硬厚頂板。

2 堅硬頂板強(qiáng)制放頂方案設(shè)計

2.1 頂板初次來壓與周期來壓步距計算

在進(jìn)行強(qiáng)制放頂爆破方案設(shè)計前，通過建立采場結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行初次來壓和周期來壓步距計算，依此確定采用何種放頂方式。當(dāng)采場頂板初次來壓時是由切眼后煤體及工作面前方煤體雙支撐，因此將頂板初次來壓時的基本頂當(dāng)做兩端固支梁計算，計算公式如下：

式中

Lc-初次來壓步距，m；

h-基本頂厚度，m；

R-基本頂抗拉強(qiáng)度，MPa；

q-基本頂承受載荷，MPa。

當(dāng)初次來壓后，隨著工作面的推進(jìn)，基本頂將會發(fā)生周期性破斷。此時只有工作面前方煤體作為巖梁的一個支點(diǎn)，所以周期來壓時應(yīng)當(dāng)把基本頂當(dāng)作一端固支的懸臂梁，計算公式如下：

式中

Lz-周期來壓步距，m；

h-基本頂厚度，m；

R-基本頂抗拉強(qiáng)度，MPa；

q-基本頂承受載荷，MPa。

根據(jù)24102 工作面實際地質(zhì)參數(shù)，取h=15 m，R=80 MPa，q=10.0 MPa，代入式（1）和（2）得，初次來壓步距為Lc=60 m，周期來壓步距Lz=25 m。由此可以預(yù)計，在不采取弱化頂板的措施情況下，24012 工作面將會出現(xiàn)較大來壓步距，對安全生產(chǎn)造成隱患。因此考慮在工作面切眼與兩巷內(nèi)均進(jìn)行強(qiáng)制放頂操作。

2.2 切眼初次放頂方案

24102 工作面切眼全長245.72 m，強(qiáng)制放頂共布置41 個炮孔，如圖1 所示。其中A、B、C、D1～D14、G、H 布置在切眼靠近老塘側(cè)，距切眼靠老塘側(cè)煤墻距離≤500 mm，所有炮孔平行于切眼向下山方向鉆進(jìn)；E1～E16 布置在距D 排孔1 m 的平行線上，所有炮孔與切眼軸線成60°角向下山方向鉆進(jìn)。M1、M2 和N1、N2、N3、N4 炮眼分別布置在運(yùn)巷、風(fēng)巷超前支護(hù)段內(nèi)。其中M1、M2 與水平方向成36°和43°，N1、N2、N3、N4 與水平方向成58°、70°、70°、70°。詳細(xì)爆破參數(shù)見表1。

圖1 切眼深孔爆破布置圖

表1 切眼深孔爆破參數(shù)

2.3 兩巷步距式放頂方案

為減小周期來壓步距，在兩巷采用周期性深孔預(yù)裂爆破進(jìn)行輔助爆破放頂，如圖2 所示。炮孔沿兩巷分組間隔布置，相鄰兩組炮孔中心B 間距18m，兩巷每組各有7 個炮孔，分別為A、B、C、D1、D2、D3、D4 孔。 其 中D1、D2、D3、D4 孔均勻分布在兩組炮孔的中間，兩巷的A、B、C 三孔間距均為0.5 m，在距頂板1 m 位置處，沿垂直煤墻方向打設(shè)炮孔。詳細(xì)爆破參數(shù)見表2。

圖2 兩巷深孔爆破布置圖

表2 兩巷深孔爆破參數(shù)

3 工業(yè)性試驗

3.1 施工工藝

鉆孔采用ZLJ-650 鉆機(jī)，鉆頭直徑65 mm，鉆桿直徑Φ42 mm，每根鉆桿長度1.5 m。根據(jù)設(shè)計的炮孔布置方式和參數(shù)進(jìn)行打孔，打孔最少超前工作面煤壁40 m。爆破相關(guān)設(shè)備與材料均采用煤礦許用產(chǎn)品，炸藥使用藥卷規(guī)格Φ45×450 mm 的3 號乳化炸藥，雷管采用普通8#瞬發(fā)電雷管，導(dǎo)爆索采用規(guī)格為Φ5.2～5.5 mm 的導(dǎo)爆索。為確保爆破效果，采用連續(xù)耦合方式進(jìn)行裝藥，配合雙雷管加雙導(dǎo)爆索引爆。封孔材料選用顆粒度＜5 mm 黃土，用水濕潤至可用手捏成團(tuán)狀。采用MFB-200 型起爆器起爆，起爆前將電雷管纏繞于起爆藥包，并將起爆器導(dǎo)線與起爆藥包牢固連接，采取“局部并聯(lián)，整體串聯(lián)”的方式進(jìn)行起爆。

3.2 放頂效果分析

施工中將工作面分為三塊監(jiān)測區(qū)域，分別記錄各區(qū)域周期來壓步距數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果見表3。以理論計算為參考，實施強(qiáng)制放頂后，初次來壓步距為35.3 m，減少約25 m，周期來壓步距減小至15.7 m，減少約10 m。實踐證明，所設(shè)計深孔爆破方案達(dá)到設(shè)計初衷，有效降低了來壓步距。

表3 24102 工作面來壓步距統(tǒng)計

4 結(jié)論

（1）通過對24102 工作面整體考慮，將爆破放頂設(shè)計為切眼內(nèi)與兩巷處分別進(jìn)行的方案。其中切眼處共布置41 個炮孔，兩巷每組7 個炮孔，18 m一組間隔循環(huán)，既能滿足爆破效果，又節(jié)約了資源，對相關(guān)工程案例的實施提供了借鑒。

（2）通過構(gòu)建采場結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，計算得初次來壓步距為60 m，周期來壓步距為25 m。實施強(qiáng)制放頂后，經(jīng)現(xiàn)場觀測相較于理論預(yù)估，初次來壓步距提前25 m，周期來壓提前約10 m，表明強(qiáng)制放頂操作取得了良好效果，確保了安全生產(chǎn)的需要。