大埋深长壁综采工作面初采顶板弱化设计

摘 要：针对大埋深长壁综合机械化采煤工作面初采顶板来压问题，本文选取葫芦素煤矿首采工作面作为研究对象，通过对葫芦素矿首采工作面顶板弱化强制放顶处理，取得了良好的效果，实现了初采安全生产。

关键词：强制放顶；初采；综采工作面；掏槽；悬顶面积

1 葫芦素矿首采工作面及顶板概况

1.1 首采工作面概况

葫芦素矿首采工作面为2-1煤一盘区21102综采工作面，工作面倾向长度为320m，走向连续推进长度4150m，可采厚度1.70～3.75m，平均厚度2.75m，年生产能力550万吨。

1.2 工作面顶板概况

选择距离工作面较近的H27号钻孔、HK35号钻孔作为参考，H27、HK35号钻孔分别位于切眼两侧，分析柱状图内容得知，煤层上方直接顶厚约2m的沙质泥岩，再向上为13-15m厚的中粒砂岩，中粒砂岩上方为泥岩，基本能够随着砂岩的垮落而自行垮落。

1.3 首采面顶板力学性质

对葫芦素煤矿2-1煤层顶板进行现场取样，试样的力学性质测定结果见表1-3-1。根据测试结果，葫芦素矿2-1煤顶板单向抗压强度平均33.73 MPa，属于中硬砂岩顶板，且厚度达到13-15m，为避免初采期间顶板突然垮塌造成冲击灾害，需在初采期间对顶板进行深孔爆破弱化处理。

2 初采顶板爆破弱化模拟方案

2.1 顶板处理高度确定

首采工作面煤层按照切眼附近最高采高2.8m计算，Hc=2.8m（割煤高），设顶板崩落厚度为Hx，岩石碎胀系数为ξ=1.2，为保证冒落顶板能完全充填采空区，顶板处理高度计算式如下：

计算得，Hx=14m。即顶板爆破处理后，垮落高度达到14m以上时，即可以对采空区进行较好的充填效果。根据柱状图可以，除去2m高的泥巖直接顶，需向砂岩内打孔垂高12m。因此首采工作面顶板人工处理的垂直高度按14m设计。在切眼内布置一排炮孔，平行于切眼轴线，距切眼后帮1m处。如图2-1-1所示。为便于装药，炮孔仰角45°，即炮孔斜长深度20m时可以达到处理范围。

2.2 炮孔间距的确定

为了准确模拟爆炸过程，在建模时对几个关键问题做如下处理：

2.2.1 炸药与岩石的相互作用

采用ALE（流固耦合）算法模拟深孔爆破过程中爆生气体与岩石间的相互作用，将炸药定义为流体，岩石定义为固体。

2.2.2 炸药载荷的施加

炸药的起爆后，爆生产物的的压力从低于标准大气压到几十万个大气压变化范围非常大，爆破模拟过程中如用瞬时的集中载荷来模拟炸药，则模拟结果和实验室结果相差很大。为解决此问题采用HIGE­_EXPLOSIVE_BURN模型以及JWL方程模拟炸药。JWL状态方程如下：

2.2.3 模拟结果

当药卷直径为75mm，炮孔直径为94mm时，炸药起爆后炮孔周围的破坏情况如图2-2-1～图2-2-4所示。

通过以上模拟分析，炸药起爆后110us时炮孔周围开始出现大范围破坏，340us时炮孔周围开始出现径向主裂纹，主裂纹条数为4条。随后主裂纹和次裂纹扩展，次裂纹扩展方向具有随机性，主裂纹扩展的主方向为沿径向向外扩展，但在局部表现为一定的随机性。550us时主裂纹条数增加为5条。裂纹扩展终止后五条主裂纹的扩展长度分别为5.2m、4.0m、4.9m、5.1m、5.6m，平均长度4.96m。可确定当药卷直径为75mm，炮孔直径为94mm时，在本矿的围岩条件下起爆后炮孔周围的裂隙区半径约为5m，合理的炮孔间距为10m，由于炮孔带有倾角，孔口间距为15m。

2.3 拉槽炮孔位置确定

根据顶板需要处理的高度，在切眼布置一排炮孔，炮孔仰角均为45度，为了方便顺序起爆，炮孔都向回风巷道方向倾斜，模拟拉槽爆破效果如图3-3-1、图3-3-3所示。可见顶板爆破后能够使顶板弱化，及早垮落。

3 首采面强制放顶方案设计

为了葫芦素矿首采工作面初采期间顶板能够顺利垮落，不产生悬顶而造成灾害事故，根据葫芦素矿首采面实际情况，结合模拟实验依据，采取深孔爆破弱化顶板，确保安全生产。

根据顶板岩层位置及炮孔倾斜角度，切眼炮孔深度20m，仰角45°时可以达到处理范围。如图3-1所示。切眼拉槽炮孔共布置22个，炮孔距离切眼后帮1m～2m处开孔，1号与2号炮孔口间隔20m，其余炮孔口间隔均为15m，一字型分布于切眼后帮，具体参数如表3-1所示。1炮孔从回风巷向进风巷偏斜，2-22号炮孔由进风巷向回风巷方向偏斜。炮孔位置平面图、剖面图见图3-2和图3-3。在实际打孔时炮孔布置参数可根据现场实际情况微调，以躲避开支护锚杆、锚索为主，如果打到锚杆上需重新在附近选位置开孔。图中所示1号炮孔向反方向偏斜，与2号炮孔构成的三角区可先形成“掏槽”，更利于顶板垮落。

4 葫芦素首采工作面初采顶板弱化效果

首采工作面初采顶板弱化现场每处炮孔处均有顶板矸石冒落，其中工作面中部冒落效果明显，冒落高度范围1.3-3.1m，冒落面积2.25-9㎡，工作面两端头冒落效果不佳，冒落高度范围0.5-1.5m，冒落面积1-6㎡。

随着工作面稳步推进，采空区顶板逐渐冒落，当工作面连续推进至13m时，采空区中部顶板冒落效果明显，当工作面连续推进至15m时，机尾三角区域顶板垮落效果明显，当工作面连续推进至18m时，机头三角区域顶板垮落效果明显，届时，采空区顶板随着工作面稳步推进随采随冒，未形成大面积悬顶，首采工作面初采顶板弱化效果明显，爆破强制放顶取得圆满成功，实现了初采期间的安全生产。

5 结束语

通过对葫芦素矿首采工作面顶板上覆岩层现场取样，进行力学性质测定评价，确定首采是否需要进行顶板弱化处理，并通过一系建模模拟、计算等手段最终确定了顶板弱化强制放顶方案，并现场实施，取得了良好的顶板弱化效果，实现了葫芦素矿21102综采面初采期间的安全生产，值得类似矿井长壁综采工作面初采顶板弱化借鉴。

参考文献：

[1]李正.坚硬顶板下大采高工作面初采顶板弱化技术研究[J].煤矿现代化，2016（6）：36-38.

[2]杨新建，申志平.深孔爆破弱化坚硬顶板技术在大采高综采工作面的应用[J].煤矿开采，2007（6）：30-32.

[3]张瑾.厚层坚硬顶板破断规律及深孔预裂爆破弱化技术的研究与应用[M].徐州：中国矿业大学，2016.

作者简介：

陈璞（1989- ），男，陕西榆林人，中国矿业大学采矿工程本科，助理工程师，主要从事煤矿开采技术、现场管理工作。