工作面初采期堅(jiān)硬頂板弱化改造技術(shù)研究

0 引言

頂板災(zāi)害作為煤礦五大災(zāi)害之一，有著發(fā)生頻次多、總死亡人數(shù)多等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)，是我國煤礦災(zāi)害治理的重中之重[1-2]。頂板災(zāi)害除了威脅作業(yè)場所內(nèi)人員安全之外，還可能造成其他次生災(zāi)害。特別是遇到整體性好、強(qiáng)度高的堅(jiān)硬頂板時(shí)，由于其極限強(qiáng)度更大，頂板不能及時(shí)垮落，造成采空區(qū)形成大面積懸頂并在一定時(shí)間之后突然垮落[3-4]。大面積懸頂斷裂垮落不僅會(huì)產(chǎn)生巨大的載荷直接損壞支架，導(dǎo)致頂板冒頂事故的發(fā)生。還會(huì)將采空區(qū)內(nèi)的瓦斯壓出，大量的瓦斯涌入巷道，造成瓦斯超限等事故。

1 工程背景

轎子山煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，本次研究選擇該礦的9718工作面作為試驗(yàn)工作面。該工作面位于7盤區(qū)9716工作面下部（如圖1），沿煤層走向布置，走向長867m，傾向長150m，平均煤厚1.59m。直接頂為厚度5m的灰色鈣質(zhì)粉砂巖，基本頂為厚度10.5m的中厚層狀石灰?guī)r、鈣質(zhì)粉砂巖。根據(jù)鄰近工作面的采掘經(jīng)驗(yàn)，瓦斯主要來源于本煤層和上部的8#煤層，瓦斯涌出量較大。特別是工作面初采期，由于堅(jiān)硬頂板懸露距離過大，經(jīng)常造成工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯超限，嚴(yán)重威脅了工作面安全回采。為了進(jìn)一步加強(qiáng)瓦斯治理工作，防止瓦斯事故的發(fā)生，對堅(jiān)硬頂板瓦斯協(xié)同治理的全面研究意義重大。

圖1 工作面位置示意圖

2 堅(jiān)硬頂板力學(xué)分析

為了減小堅(jiān)硬頂板在回采過程中的懸露距離，保障試驗(yàn)工作面安全回采。應(yīng)用礦山壓力的相關(guān)理論，結(jié)合礦井實(shí)際條件，對基本頂?shù)臄嗔研问竭M(jìn)行分析，并對采取斷頂措施前后基本頂?shù)牧W(xué)模型進(jìn)行選擇。

2.1 基本頂?shù)臄嗔研问?/h3>

根據(jù)礦山壓力的相關(guān)理論[5]，基本頂?shù)臄嗔研问椒譃榱菏狡茢嗪桶迨狡茢鄡煞N。由于試驗(yàn)工作面基本頂厚度10.5m，厚度相對于基本頂懸露寬度比值較大，不適用薄板的假設(shè)，因此試驗(yàn)工作面基本頂?shù)臄嗔研问綉?yīng)為梁式斷裂。

2.2 基本頂初次斷裂步距計(jì)算

在工作面開始回采后，基本頂會(huì)隨著工作面的推進(jìn)發(fā)生斷裂，當(dāng)基本頂初次發(fā)生斷裂時(shí)，該位置與開切眼的距離稱為初次斷裂步距。由于試驗(yàn)工作面外段四周均為實(shí)體煤，根據(jù)礦山壓力的相關(guān)理論，頂板在破斷前可看做均質(zhì)各向同性體，因此可將力學(xué)模型簡化為四面固支梁結(jié)構(gòu)[6]。若采用斷頂措施，會(huì)造成頂板結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。采空區(qū)上部的頂板將發(fā)生懸空，此時(shí)可將力學(xué)模型簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)。按照兩種力學(xué)模型分別計(jì)算基本頂?shù)某醮螖嗔巡骄啵?/p>

其中：L—基本頂初次斷裂步距，m；h—頂板巖層的單層厚度，m；RT—巖梁的抗拉強(qiáng)度極限，MPa；q—上覆巖層作用在頂板巖層的載荷，MPa。

本次研究僅針對一個(gè)工作面，在頂板巖層巖性、厚度確定的情況下，對比（1）（2）兩式，可以得到理論上固定梁模型計(jì)算出的基本頂初次斷裂步距是簡支梁的1.22倍。這說明通過預(yù)裂爆破、切頂鉆孔等工程手段改造堅(jiān)硬頂板，使基本頂減少懸露距離是可行的。

3 堅(jiān)硬頂板改造措施

為了避免堅(jiān)硬頂板大范圍懸露，導(dǎo)致其垮落時(shí)造成瓦斯超限等事故。采用預(yù)裂爆破為主、切頂鉆孔為輔的手段對堅(jiān)硬頂板進(jìn)行改造，以改變試驗(yàn)工作面初采期四周的固支梁結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到縮短基本頂初次垮落步距、保障工作面初采期安全回采的目的。

3.1 頂板預(yù)裂爆破

預(yù)裂爆破是通過爆炸產(chǎn)生的高溫高壓氣體沖擊破碎周圍巖體，預(yù)先增加巖體內(nèi)部的節(jié)理、裂隙，達(dá)到破壞頂板完整性的目的[7-8]。由于試驗(yàn)工作面里段四周均為實(shí)體煤，所以在預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)時(shí)，除了在開切眼內(nèi)布置兩排爆破孔，還在開切眼上下端頭各布置兩列爆破孔，以改變工作面兩巷頂板固支梁結(jié)構(gòu)。預(yù)裂爆破鉆孔設(shè)計(jì)平面圖見圖2。

圖2 預(yù)裂爆破鉆孔設(shè)計(jì)平面圖

3.1.1 開切眼

在開切眼靠近采空區(qū)側(cè)緊貼煤壁垂直于頂板施工一排炮孔，寬度覆蓋整個(gè)開切眼。每個(gè)炮孔深度4m，間距1.5m，每個(gè)炮孔裝藥量為1.8kg。當(dāng)工作面推采1.2m后，對開切眼靠近采空區(qū)側(cè)已施工炮孔進(jìn)行裝藥爆破。

工作面切眼采空區(qū)側(cè)炮孔進(jìn)行裝藥爆破后，在工作面靠近回采煤壁側(cè)緊貼煤壁垂直于頂板施工一排炮孔，寬度覆蓋整個(gè)回采煤壁。炮孔深度4m，孔間距1.5m，每個(gè)炮孔裝藥量為1.8kg。煤壁側(cè)炮孔全部施工完成后進(jìn)行裝藥爆破，開切眼炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖3，爆破參數(shù)見表1。

圖3 開切眼炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

表1 開切眼炮孔爆破參數(shù)表

3.1.2 開切眼上下端頭

在工作面兩巷煤柱側(cè)垂直于頂板施工兩列炮孔，炮孔距煤柱0.2m，排間距0.5m。炮孔從切眼位置向外施工，共施工10排，排間距0.5m。炮孔深度2m，裝藥量0.9kg。炮孔全部完成后立即裝藥爆破，開切眼上下端頭炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖4，爆破參數(shù)見表2。

圖4 開切眼上下端頭炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

表2 工作面上下端頭炮孔爆破參數(shù)表

3.2 切頂卸壓

切頂卸壓是通過切頂鉆孔破壞煤層頂板的連續(xù)性，切斷煤壁上方頂板與采空區(qū)頂板的聯(lián)系，改變圍巖應(yīng)力分布，使得頂板沿切縫線發(fā)生斷裂。根據(jù)該礦以往的采掘經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合頂板預(yù)裂爆破施工情況，將切頂鉆孔布置切眼前方10m。切頂鉆孔布置如圖5所示。

圖5 切頂鉆孔布置剖面圖

工作面回采10m后，采用ZDY-750鉆機(jī)在工作面支架前施工切頂鉆孔，鉆孔孔徑為75mm，孔間距10m，終孔位置控制頂板上方7m。工作面共設(shè)計(jì)切頂鉆孔20個(gè)，鉆孔設(shè)計(jì)深度12～31m。

4 效果檢驗(yàn)

為了對堅(jiān)硬頂板改造效果進(jìn)行驗(yàn)證，使用工作面支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)對試驗(yàn)工作面初采期的支架壓力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。沿工作面傾斜方向，在工作面的上中下位置共布置12個(gè)測點(diǎn)，分別為10#、20#、30#、40#、50#、60#、70#、80#、90#、100#、110#、120#支架。工作面開始回采后，每天計(jì)算一次各測點(diǎn)平均壓力并與回采進(jìn)尺對應(yīng)。整理記錄的監(jiān)測數(shù)據(jù)見表3。

表3 試驗(yàn)工作面初采期液壓支架壓力記錄表 單位：MPa

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，大部分測點(diǎn)均在工作面推進(jìn)到18m時(shí)，液壓支架壓力急劇上升并達(dá)到峰值，與前一天相比增長幅度可達(dá)30%～40%。因此可以判定工作面推進(jìn)到18m時(shí)發(fā)生了初次來壓，以開切眼寬度5m進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)工作面初次來壓步距為23m。計(jì)算結(jié)果表明，采用頂板預(yù)裂爆破結(jié)合切頂鉆孔改造頂板后，工作面初次來壓步距較之前的30～35m減小了一倍左右，證明了該工程解決堅(jiān)硬頂板大范圍懸露的有效性。

采用頂板預(yù)裂爆破結(jié)合切頂鉆孔改造頂板后，配合順層鉆孔、高位鉆孔、上隅角埋管等瓦斯抽采措施，試驗(yàn)工作面初采期未發(fā)生一次瓦斯超限。上隅角、工作面、回風(fēng)流在生產(chǎn)期間瓦斯?jié)舛染∮?.4%，頂板垮落期間上隅角瓦斯?jié)舛鹊陀?.6%，保障了工作面的安全回采。

5 結(jié)論

①根據(jù)礦山壓力的相關(guān)理論，結(jié)合試驗(yàn)工作面條件，對頂板力學(xué)模型進(jìn)行了分析，判斷基本頂?shù)臄嗔研问綖榱菏綌嗔选Ｔ诖嘶A(chǔ)上，將頂板改造措施前后的基本頂力學(xué)模型簡化為固支梁和簡支梁。并通過對比計(jì)算，得到了簡支梁模型基本頂初次斷裂步距約為固定梁模型的80%。

②在理論分析的基礎(chǔ)上，采用頂板預(yù)裂爆破為主、切頂鉆孔為輔的堅(jiān)硬頂板改造措施，并通過液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)對堅(jiān)硬頂板改造措施進(jìn)行了效果驗(yàn)證。結(jié)果表明，與過往回采工作面相比，試驗(yàn)工作面初次來壓步距縮短了一倍左右，解決了堅(jiān)硬頂板大面積懸露垮落誘發(fā)瓦斯事故的問題。