陳騰飛

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)豐峪煤業(yè)安裝分公司, 山西 臨汾 031400）

0 引 言

隨著煤炭的井工開采不斷向深部復(fù)雜條件延伸，高應(yīng)力成為影響安全高效開采的一個(gè)重要因素，同時(shí)，由于埋深的增加，煤層頂板的強(qiáng)度、完整度也在不斷增大，數(shù)據(jù)表明，堅(jiān)硬頂板的比例已經(jīng)占到煤礦開采的40%[1-4]。在此條件下，全部垮落法管理頂板就會(huì)導(dǎo)致頂板長(zhǎng)時(shí)間裸露不垮，甚至出現(xiàn)突然垮落，導(dǎo)致壓架、切頂災(zāi)害，給工作面設(shè)備及人員生命安全帶來威脅[4-5]。因此，研究對(duì)堅(jiān)硬頂板的弱化方法，促使頂板以正?？迓洳骄嚯S回采垮落，減小來壓步距，減少空頂時(shí)間，對(duì)降低頂板災(zāi)害具有十分重要意義。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過大量研究，張勝利、張昌鎖采用數(shù)值模擬確定了定向斷裂爆破的實(shí)施方案，并通過工程應(yīng)用驗(yàn)證了其可行性。劉儒俠通過理論分析、數(shù)值模擬完成了水力壓裂強(qiáng)制放頂方案，并成功實(shí)施。李琨將PVC 管串聯(lián)藥包以及炮泥加木楔封口技術(shù)成功運(yùn)用在爆破強(qiáng)制放頂中。本文通過理論分析、實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度測(cè)試、相似模擬等方法，分析研究定向斷裂爆破對(duì)頂板強(qiáng)度的影響，進(jìn)而形成扇形布孔定向斷裂爆破方案，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，10 號(hào)煤的堅(jiān)硬頂板得以弱化，實(shí)現(xiàn)隨采隨落完全充實(shí)采空區(qū)，采動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)頂板切頂、壓架等災(zāi)害現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期的放頂效果。

1 堅(jiān)硬頂板分類及破斷特征

1.1 堅(jiān)硬頂板概念

對(duì)于堅(jiān)硬頂板的定義，尚未形成定論。根據(jù)常用的實(shí)踐共識(shí)，通常以強(qiáng)度和垮落步距來判定，強(qiáng)度超過12、初次垮落超過25 m，此類頂板即可被判定為堅(jiān)硬頂板。此類頂板硬度大、完整、抗壓強(qiáng)，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[6-7]。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐常常通過判斷老頂初次來壓當(dāng)量對(duì)頂板堅(jiān)硬程度進(jìn)行分級(jí)，判定公式如下[8-9]：

式中：L0為老頂初次來壓步距/m；hm為煤層采高，m；N為直接頂充填系數(shù)，N=hi/hm；hi為直接頂厚度，m。

當(dāng)P≥1 075 時(shí)，可預(yù)判頂板來壓程度非常強(qiáng)烈，對(duì)應(yīng)頂板可判定為堅(jiān)硬難垮落頂板。

1.2 破斷特征

正常情況下，頂板的垮落需要經(jīng)歷4 個(gè)過程：強(qiáng)化-裂隙擴(kuò)展-松動(dòng)破碎-垮落，在初次破斷初次來壓后，周而復(fù)始開始周期性垮落，初次垮落特征如圖1 所示。

但對(duì)于堅(jiān)硬頂板，初次垮落的長(zhǎng)度一般較大，會(huì)在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間懸頂后，在高應(yīng)力作用下發(fā)生破斷，劇烈的破斷會(huì)造成壓架等直接事故，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)颶風(fēng)、瓦斯爆炸等間接災(zāi)害。

圖1 頂板初次破斷特征

2 工程應(yīng)用

豐峪煤業(yè)13 采區(qū)10 號(hào)煤層標(biāo)高+320~+570 m，對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高+770 ~ +630 m，上部蓋山厚達(dá)250~370 m。平均煤厚2.35 m，煤層傾角8°，工作面斜長(zhǎng)150 m。直接頂主要成分是中-細(xì)粒砂巖、泥巖，厚0.2~2.2 m。煤層頂板為質(zhì)地堅(jiān)硬的K2 石灰?guī)r，厚9 m，強(qiáng)度大，完整性好，底板巖性以泥巖、粉砂巖為主，厚0.10~6.64 m。

2.1 頂板弱化方法

目前，實(shí)踐中較為常用的堅(jiān)硬頂板弱化方法，有預(yù)裂爆破、水力壓裂、聯(lián)合弱化3 種，其優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比情況見表1。

表1 常用頂板弱化方法對(duì)比

根據(jù)以上3 種技術(shù)優(yōu)劣對(duì)比，以及豐峪煤業(yè)13采區(qū)實(shí)際，選用深孔爆破預(yù)裂的方法完成強(qiáng)制放頂。

2.2 頂板巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)定

通過對(duì)豐峪煤業(yè)十三采區(qū)10 號(hào)煤層K2 灰?guī)r頂板鉆孔取芯，獲得標(biāo)準(zhǔn)試件33 個(gè)，經(jīng)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、劈裂實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，完成了對(duì)10 號(hào)煤層頂板巖石力學(xué)性質(zhì)的測(cè)定。巖石力學(xué)具體參數(shù)見表2。

表2 10 號(hào)煤層頂板巖石力學(xué)參數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬，10 號(hào)煤工作面初次來壓步距達(dá)60 m，根據(jù)公式1 判定P=1 098，該頂板屬于Ⅳ1 級(jí)堅(jiān)硬頂板，必須采取弱化措施，否則來壓強(qiáng)度將嚴(yán)重威脅工作面生產(chǎn)安全。

2.3 爆破弱化方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，實(shí)施定向斷裂爆破技術(shù)后，堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)度得以有效削弱，裂隙進(jìn)一步發(fā)育，可極大減小破斷步距。進(jìn)一步，使用切縫藥包定向斷裂控制爆破，爆破效果明顯增強(qiáng)，爆破孔破碎區(qū)域比普通藥包爆破效果擴(kuò)大2.5 倍，弱化效果顯著。

1）切眼處的頂板弱化方案。為了有效減小初步來壓步距，降低頂板初次破斷帶來的威脅，在切眼處布置2 排爆破孔，排間距15 m，孔間距10 m，鉆孔直徑94 mm，孔深約10~25 m，鉆孔仰角30°~50°。切眼處頂板弱化爆破孔布置如圖2 所示。A 組孔布置與切眼平行，B 組孔向煤壁側(cè)偏45°布置。

圖2 切眼處頂板弱化爆破孔布置圖

2）超前預(yù)裂孔布置方案。為有效縮短來壓垮落步距，工作面回采過程中，在工作面前方回風(fēng)巷、軌道巷分別施鉆，每隔20 m 向頂板打1 組鉆孔，提前完成預(yù)裂爆破。鉆孔參數(shù)見表3，2 巷爆破孔布置見圖3。

表3 2 巷上方頂板爆破參數(shù)

圖3 2 巷頂板弱化爆破孔布置圖

2.4 爆破實(shí)施

1）打孔。為便于裝藥，鉆頭直徑選定75 mm 鉆頭，全鉆孔裝藥。

2）封孔。由于切縫藥包爆破力度較大，現(xiàn)場(chǎng)封孔長(zhǎng)度不得低于10 m，材料需使用顆粒較為細(xì)密的黃泥封孔，封泥時(shí)使用風(fēng)壓封孔器高標(biāo)準(zhǔn)完成封孔，用力搗實(shí)。

3）起爆。切眼的爆破分2 組進(jìn)行，先A 組后B組，每3 孔1 組分組裝藥，串聯(lián)爆破。2 巷爆破孔按組裝藥，分組爆破。

2.5 弱化效果

1）初次來壓。根據(jù)數(shù)值模擬，以及相鄰采區(qū)數(shù)據(jù)，未經(jīng)弱化的堅(jiān)硬頂板，初次來壓步距約為60 m。經(jīng)實(shí)施預(yù)裂爆破弱化后，105 綜采工作面回采至25m時(shí)，頂板全部跨落，采空區(qū)充填良好。初次來壓步距提前一半以上，弱化成效明顯。此時(shí)，工作面液壓支架最大支撐力顯示為41.2 MPa，沒超過預(yù)警值50 MPa，現(xiàn)場(chǎng)未見片幫、推架。

2）周期來壓。經(jīng)過連續(xù)監(jiān)測(cè)，105 綜采工作面周期來壓步距約為18 m，周期性破斷較為連續(xù)，頂板垮落及時(shí)，未出現(xiàn)頂板切頂、支架壓死等現(xiàn)象，極大降低了安全隱患。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）堅(jiān)硬頂板，初次垮落的長(zhǎng)度一般較大，會(huì)在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間懸頂后，在高應(yīng)力作用下發(fā)生破斷，劇烈的破斷會(huì)造成壓架、人員傷亡等直接事故，甚至更嚴(yán)重者會(huì)引發(fā)礦井颶風(fēng)、瓦斯突出甚至爆炸等間接災(zāi)害。

2）通過理論公式判定頂板堅(jiān)硬程度，并作為頂板弱化級(jí)別依據(jù)的方法是可行的，判定結(jié)果是可信的。

3）經(jīng)實(shí)施預(yù)裂爆破弱化后，105 綜采工作面初次來壓提前了近一半距離，深孔預(yù)裂爆破起到了預(yù)期作用，弱化了頂板、較小了來壓步距，成效明顯。