溫有財(cái)

（大同市焦煤礦有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

1 工程地質(zhì)背景

大同焦煤一礦8503工作面位于井田西部，煤層厚度約6～14m，平均厚度8m。工作面走向長(zhǎng)度為118m，傾斜長(zhǎng)度151m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層位穩(wěn)定?；夭煞椒ㄟx用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化低位放頂煤法，頂板管理方法采用全部垮落法。采用深孔欲裂爆破弱化強(qiáng)制放頂處理方法來(lái)避免初采期頂板垮落造成的颶風(fēng)災(zāi)害。

8503 工作面直接頂厚度5.99m，基本頂厚度17.48m，基本底12m。

2 預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂破斷特征

采用UDEP數(shù)值分析軟件進(jìn)行模擬分析，模擬檢驗(yàn)深孔欲裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)的適用性。頂板初次來(lái)壓步距、周期來(lái)壓步距數(shù)值的比較分析依據(jù)為UDEP數(shù)值模擬分析結(jié)果，進(jìn)而結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)深孔欲裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)的欲裂效果開展具體分析工作。

8203 工作面為水平煤層，井下標(biāo)高為1043～1087m。在模擬實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)中，預(yù)裂高度分別設(shè)計(jì)為5m、10m、15m，采用位移固定模型上表面應(yīng)力邊界、左右邊界、下邊界條件。

（1）未采取強(qiáng)制放頂?shù)捻敯蹇迓湟?guī)律

觀察工作面推進(jìn)中采場(chǎng)覆巖垂直位移云圖以及垮落程度。當(dāng)工作面煤層開挖10m時(shí)，直接頂開始出現(xiàn)明顯離層；開挖20m時(shí)基本頂開始出現(xiàn)離層；當(dāng)工作面開挖30m，遠(yuǎn)離切眼39m時(shí)，基本頂中部出現(xiàn)斷裂但未垮落，直接頂垮落。基本頂?shù)谝淮斡^察到完全垮落為開挖40m時(shí)，而當(dāng)工作面開挖70m時(shí)，采場(chǎng)頂板呈現(xiàn)第一次周期來(lái)壓的特征，基本頂垮落位置遷移增大。由此可見，當(dāng)回采面不斷掘進(jìn)時(shí)，開始顯現(xiàn)越來(lái)越明顯的煤壁超前距離應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)工作面推進(jìn)49m時(shí)，頂板破碎垮落巖層進(jìn)一步壓實(shí)，此時(shí)煤壁超前距離應(yīng)力集中程度的周期性趨勢(shì)表現(xiàn)的越來(lái)越明顯，應(yīng)力峰值先增大后減小，表明此時(shí)工作面頂板進(jìn)入周期來(lái)壓開采狀態(tài)。

（2）采取預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂后的頂板垮落規(guī)律

隨著回采掘進(jìn)，爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)的超前深孔欲裂孔間距設(shè)定為15m，預(yù)裂高度20m，預(yù)裂線方向與煤壁平行。鉆孔施工應(yīng)根據(jù)工作面周期來(lái)壓規(guī)律，在每次周期來(lái)壓前15m施工一組深孔爆破鉆孔（可根據(jù)工作面頂煤垮落現(xiàn)狀具體增大或縮小放頂步距），鉆孔參數(shù)按照本工作面初次放頂孔參數(shù)施工，目的為再次切斷基本頂，確保安全生產(chǎn)。

隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)開挖10m時(shí)，基本頂與上覆巖層預(yù)裂線出現(xiàn)層位交錯(cuò)，基本頂進(jìn)入初次來(lái)壓破斷狀態(tài)，直接頂進(jìn)入隨采隨落狀態(tài)；開挖20m時(shí)，工作面經(jīng)歷初次來(lái)壓開采狀態(tài)，初次來(lái)壓步距在19～29m；開挖40m時(shí)，采場(chǎng)后方的頂板垮落，垮落巖石被壓實(shí)，進(jìn)而分擔(dān)了上覆巖層的部分壓力，工作面安全得到保證；開挖50m后，周期來(lái)壓呈現(xiàn)，周期來(lái)壓步距推測(cè)為15m，此時(shí)采場(chǎng)工作面為周期來(lái)壓開采狀態(tài)。由此可見，當(dāng)工作面采煤作業(yè)時(shí)，頂板處理方法采取深孔欲裂爆破技術(shù)時(shí)，直接頂、基本頂垮落步距均減小，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在，步距減小導(dǎo)致頂板垮落形成的沖擊力減小，進(jìn)而其對(duì)工作面的沖擊效應(yīng)減小。從數(shù)據(jù)分析可知，工作面采場(chǎng)前方巖層的應(yīng)力集中位置、大小與預(yù)裂線距煤壁的距離關(guān)系顯著，預(yù)裂線將煤層上方頂板分割為塊狀巖體，從而使超前集中應(yīng)力峰值出現(xiàn)在下一步工作面推進(jìn)過程中。

（3）結(jié)果分析

結(jié)合大同焦煤一礦8503工作面地質(zhì)背景，在同一工況條件下分析兩種放頂工藝對(duì)頂板垮落特性，并進(jìn)行對(duì)比分析。通過上文的分析，可得出以下結(jié)論：

① 當(dāng)工作面頂板處理方法選擇深孔欲裂爆破技術(shù)后，頂板初次來(lái)壓垮落步距和周期來(lái)壓垮落步距均發(fā)生顯著變化，分別降低50%與25%～50%，這說明對(duì)于強(qiáng)硬頂板條件下的煤礦開采，采取深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂措施能夠有效改善工作面頂板管理作業(yè)條件。

② 當(dāng)工作面采場(chǎng)頂板處理方法選擇深孔預(yù)裂爆破技術(shù)后，導(dǎo)致頂板欲裂線間巖體破碎呈現(xiàn)大塊特征，表現(xiàn)出剪切破壞特征，但在摩擦力的作用下，塊體滑移并未出現(xiàn)直接破斷垮落，進(jìn)而使工作面頂板破斷呈現(xiàn)臺(tái)階狀破斷特征。

3 預(yù)裂高度對(duì)頂板破斷特征的影響

（1）不同預(yù)裂高度頂板垮落規(guī)律

模擬分析參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)合工作面推進(jìn)實(shí)際，設(shè)計(jì)5m、10m、15m三個(gè)預(yù)裂高度，則：

5m預(yù)裂高度：開挖20m，基本頂未垮落，而直接頂?shù)牡谝淮尾糠挚迓洮F(xiàn)象出現(xiàn)；開挖30m時(shí)，直接頂呈隨采隨落狀態(tài)，基本頂下部部分垮落，但未裂部分仍在承載范圍值內(nèi)；開挖40m時(shí)，工作面呈現(xiàn)初次來(lái)壓狀態(tài)，基本頂完全垮落，上覆巖層也完全垮落，煤壁處位移增加明顯。由此可見，當(dāng)預(yù)裂高度設(shè)置為5m時(shí)，通過深孔預(yù)裂爆破弱化硬頂板的目的未實(shí)現(xiàn)。

10m預(yù)裂高度：開挖10m過程中，基本頂與上覆巖層離層情況未出現(xiàn)，但直接頂發(fā)生變化，呈現(xiàn)下部部分垮落現(xiàn)象；推進(jìn)20m，基本頂未垮落，直接頂則完全垮落；開挖30m時(shí)，直接頂完全垮落，基本頂預(yù)裂部分完全垮落，工作面初次來(lái)壓顯現(xiàn)，但上覆巖層垮落不明顯，因此工作面初次來(lái)壓釋放不完全；開挖40m時(shí)，初次來(lái)壓完全釋放，基本頂與上覆巖層完全垮落。由此可見，當(dāng)設(shè)計(jì)為10m預(yù)裂高度情況下，采用深孔欲裂爆破技術(shù)并未達(dá)到理想的硬頂板弱化效果。

15m預(yù)裂高度：開挖10m過程中，基本頂預(yù)裂部分出現(xiàn)明顯的離層現(xiàn)象，直接頂下部完全垮落，鉸接旋轉(zhuǎn)特點(diǎn)顯現(xiàn)；開挖20m時(shí)，基本頂預(yù)裂部分垮落完全，直接頂完全垮落，工作面初次來(lái)壓，但未完全釋放；開挖30m時(shí)，基本頂完全垮落，上覆巖層完全垮落，初次來(lái)壓完全釋放。由此可見，當(dāng)預(yù)裂高度為15m時(shí)，初次來(lái)壓步距減小幅度較大，采用深孔欲裂爆破技術(shù)基本可實(shí)現(xiàn)硬頂板弱化的效果。

（2）不同預(yù)裂高度工作面壓力變化規(guī)律

當(dāng)預(yù)裂高度設(shè)置為5m時(shí)，直到工作面推進(jìn)40m時(shí)，工作面采空區(qū)煤壁壓力瞬間增大，工作面初次來(lái)壓狀態(tài)顯現(xiàn)。隨著開采掘進(jìn)面的不斷推進(jìn)，煤壁處壓力呈現(xiàn)逐漸減小的狀態(tài)。當(dāng)推進(jìn)70m時(shí)，工作面首次顯現(xiàn)出周期來(lái)壓，由此可見，工作面周期來(lái)壓步距推測(cè)約為30m。

當(dāng)預(yù)裂高度設(shè)置為10m時(shí)，工作面推進(jìn)30m時(shí)呈現(xiàn)初次來(lái)壓狀態(tài)，而40m時(shí)煤壁處壓力增大，之后隨著工作面推進(jìn)而減小。當(dāng)工作面推進(jìn)到70m時(shí)，煤壁處壓力再次突然加大，工作面首次周期來(lái)壓顯現(xiàn)，周期來(lái)壓步距約為30m，但初次來(lái)壓未完全釋放。

當(dāng)預(yù)裂高度設(shè)置為15m時(shí)，工作面推進(jìn)20m時(shí)呈現(xiàn)初來(lái)壓狀態(tài)，之后隨著工作面推進(jìn)，煤壁處壓力逐漸減小。當(dāng)工作面推進(jìn)60m時(shí)，工作面頂板周期來(lái)壓顯現(xiàn)，煤壁處壓力再次突然增大，推測(cè)可知工作面頂板周期來(lái)壓步距約為20m。由此可見，當(dāng)預(yù)裂高度設(shè)置為15m時(shí)，能夠達(dá)到預(yù)裂爆破弱化硬頂板的目的，進(jìn)而使工作面實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

通過模擬分析可知，當(dāng)采取深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂措施，且預(yù)裂高度設(shè)置為15m時(shí)，對(duì)工作面硬頂板的弱化效果明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)人為控制工作面頂板破斷垮落步距的目的，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，并降低預(yù)裂成本。在工作面實(shí)踐生產(chǎn)中，結(jié)合大同焦煤一礦8503工作面實(shí)際，實(shí)施深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂措施，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)，獲得了較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。