對于堅硬頂板強制放頂技術的探討

焦 昊

(山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同037104)

0 引言

隨著煤炭開采量越來越大，煤炭賦存資源日益減少，人們逐步將視線轉(zhuǎn)移至中厚煤層賦存的煤礦中，針對不同的地質(zhì)條件，對采煤技術的要求也越來越高。對于堅硬頂板地質(zhì)條件，配合綜采一次采全高采煤方法，回采速度較快，礦山壓力不明顯，采空區(qū)頂板不能及時冒落，可能造成大面積懸頂?shù)那闆r，增加了支架的載荷強度。當懸頂面積足夠大，支架無法承受頂板高壓或頂板懸臂梁無法承受上部壓力，突然斷裂，就會產(chǎn)生的較大的沖擊波，會對工作面內(nèi)的支架、風門、密閉及人員的安全造成巨大的危害。所以，加強對堅硬頂板強制放頂技術的分析和探討是非常有必要的。

1 堅硬頂板大面積來壓發(fā)生原因和防治原則

堅硬頂板大面積來壓的發(fā)生有以下幾點原因:一是因為煤層上第一層頂板為砂巖老頂。這種巖層硬度高，膠結(jié)程度也很高，它的密度大，非常堅硬、冒落性較差;二是因為工作面傾角大而且煤層相對較薄，一些小部分的偽頂和煤矸石自動滑落至工作面下面，把采空區(qū)填補起來了，所以采空區(qū)頂板不易垮落。由于工作面繼續(xù)深入，采空區(qū)(包括上一片采空區(qū))頂板懸露跨度也在不斷擴大，懸臂較長的厚頂板巖體被工作面的液壓支架支撐著。當達到最大跨度的時候，巖體就會發(fā)生變形或者蠕變，液壓支架的支柱載荷就會快速增加，如果超過了支柱的額定工作阻力，那么安全閥自動打開進行排液，立柱快速下縮，引起工作面以及煤壁硬幫頂板大幅下沉，工作面煤壁由于受剪切破壞，會形成片幫。因為頂板堅硬，而且煤層比較薄，頂板幾次的大面積發(fā)生來壓時，都沒有對采空區(qū)頂板造成斷裂和垮落，導致頂板出現(xiàn)了多次變形及蠕變，使煤壁出現(xiàn)多次大片幫。所以，為了防治頂板大面積來壓，要遵循的基本原則有:使工作面堅硬頂板的整體性下降，增加弱面并使其抗拉強度及抗剪強度降低，削減采空區(qū)懸頂面積，減小頂板對工作面支柱的壓力。它的主要方式是對頂板進行中深孔卸壓爆破，用人工把頂板切斷，破壞其關鍵層結(jié)構(gòu)，增大頂板裂隙程度，改變采動應力場的分布特點，通過這些措施來釋放應力并有效卸壓，降低頂板來壓強度;減小采空區(qū)和鄰采區(qū)之間的頂板連續(xù)性，從而有效降低老頂巖石的強度，讓難垮落頂板轉(zhuǎn)變成為可垮落頂板，促進采空區(qū)頂板工作面的強制放頂順利進行。

2 深孔爆破基本原理

頂板深孔爆破是一種堅硬頂板碎化和弱化的技術，它的本質(zhì)是先在堅硬頂板內(nèi)打孔，然后裝藥精心爆破，利用爆破來弱化頂板，從而增強頂板的冒落性，以免進行回采的時候出現(xiàn)大面 積懸頂。深孔松動爆破，就是當炸藥在炮孔中爆炸之后，半無限介質(zhì)中內(nèi)會形成強沖擊波與大量高溫高壓氣體，形成爆炸。因為爆炸壓力要比介質(zhì)的抗壓強度大得多，所以在炮孔四周一定范圍之內(nèi)介質(zhì)遭到猛烈的壓縮、粉碎，最后成為壓縮粉碎區(qū)。在這個區(qū)內(nèi)有很大的一部分爆破能量用在了對介質(zhì)的破碎上，由于力度過大，沖擊波透射到介質(zhì)里面，通過應力波的形式傳送到巖石內(nèi)部。受應力波的作用，質(zhì)點進行徑向位移，處于壓縮區(qū)邊緣的介質(zhì)中進行徑向壓縮與切向拉伸。如果切向拉伸應力大于介質(zhì)的動抗拉強度，那么就會形成徑向裂隙，然后跟著應力波的傳播進一步擴展。如果應力波小于介質(zhì)抗拉強度的時候，那么裂 隙就會停止擴展。當應力波向前傳播的時候，爆生氣體也會隨著迅速膨脹，進入因為應力波形成的的徑向裂隙內(nèi);氣體具有尖劈作用，所以裂隙會繼續(xù)延伸。裂隙的不斷延伸，爆生氣體膨脹，氣體壓力迅速下降;當壓力下降至一定程度，儲存在介質(zhì)里面的彈性能就被釋放出來，產(chǎn)生卸載波，然后向炮孔中心進行傳播，導致介質(zhì)里面形成環(huán)向裂隙(一般情況下環(huán)向裂隙很少)。徑向裂隙與環(huán)向裂隙交叉形成裂隙區(qū)。如果應力波進一步向前傳播，減弱到不能夠破壞介質(zhì)，只能讓介質(zhì)質(zhì)點產(chǎn)生振動，用地震波的形式進行傳播，直到消失。應力波之后，爆生氣體出現(xiàn)準靜態(tài)應力場，然后進入空腔壁上張開的裂縫當中，在裂隙最前端集中應力，導致裂隙進一步延伸。裂隙延伸過程當中，爆生氣體最先進入寬度大、彎度小、對氣體進入阻力小的寬裂隙當中，再次進入和它連通的小裂隙中，當他的壓力下降到不能夠讓裂隙繼續(xù)延伸時才會停止。爆生氣體在巖體內(nèi)部形成的準靜態(tài)應力，與距炮孔中心距離成反比，越遠越弱，越近越強。所以在巖體內(nèi)形成爆生氣體應力梯度。有爆生氣體壓力驅(qū)動的情況下，裂隙會一直朝著壓力低的方向延伸，就是朝著距炮孔遠的方向延伸。

3 煤礦礦開采現(xiàn)狀

我礦現(xiàn)開采的1203 工作面，走向長度974.34 m，傾斜長度151 m，開采煤層厚度2.12～2.58 m，平均煤厚2.35 m，煤層傾角1°～4°。煤層上部直接頂為黑色、光滑、性脆的砂質(zhì)泥巖和炭質(zhì)泥巖，厚度0～2.97 m，基本頂為灰白色、硅質(zhì)膠結(jié)，堅硬的粗、中細砂粒巖厚度18.3 m。煤巖層結(jié)構(gòu)、巖石力學性質(zhì)見圖1。

圖1 煤巖層結(jié)構(gòu)、巖石力學性質(zhì)

由于開采煤層較薄，采動影響較小，加上頂板穩(wěn)定的因素，在上一個工作面開采期間，部分區(qū)域出現(xiàn)10 多米懸頂距的現(xiàn)象，對支架設備的損傷和人員的安全都造成了很大的威脅。經(jīng)過一個工作面的觀察、收集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)驗證，確定我礦來壓步距為20 -25 m 左右。所以在1203 工作面開采期間，回采20 m，進行一次深孔打眼，強制放頂進行泄壓，以保證工作面采空區(qū)頂板緊跟支架，防止大面積來壓所造成的危害發(fā)生。

4 結(jié)語

堅硬頂板強制放頂技術在煤礦的采煤工作中具有很大的作用，也有很大的優(yōu)點，但是要結(jié)合煤礦和地質(zhì)的實際情況靈活運用，從而使該技術的優(yōu)點發(fā)揮到最大限度，進而提高采煤效率，減少資源浪費，提高經(jīng)濟效益。我礦會結(jié)合實際情況繼續(xù)加強對堅硬頂板強制放頂技術的研究，深刻分析該技術中存在的缺點以及可能會出現(xiàn)的問題，制定解決辦法和應急措施，促進煤礦事業(yè)的發(fā)展。

［1］ 曹永模.顧北礦堅硬頂板條件下采場礦壓特征及圍巖控制研究［D］. 安徽理工大學，2013.

［2］ 李術才，王德超，王琦，等.深部厚頂煤巷道大型地質(zhì)力學模型試驗系統(tǒng)研制與應用［J］. 煤炭學報. 2013(9).

［3］ 尹振云，王春林. 綜放工作面深孔爆破強制放頂?shù)膶嵺`［J］. 煤炭科技，2010(2).