博斯坦煤矿放顶煤工作面坚硬顶板下初次放顶处理技术

付李华，娄芳

（新疆维吾尔自治区煤炭科学研究所，新疆乌鲁木齐 830091）

博斯坦煤矿放顶煤工作面坚硬顶板下初次放顶处理技术

付李华，娄芳

（新疆维吾尔自治区煤炭科学研究所，新疆乌鲁木齐 830091）

针对博斯坦煤矿坚硬顶板条件，采用“超前工作面深孔爆破控制坚硬顶板”的方法，实现采空区自然冒落，解决采空区坚硬顶板冒落难的问题，为矿井的安全生产提供了条件。

坚硬顶板；超前爆破；放顶煤

新疆托克逊县布尔碱博斯坦乡联合煤矿采用斜井开拓方式，主采侏罗系下统八道湾组地层中的3-3号煤层。由于煤层顶板坚硬难冒，为提高回采的安全性，必须对顶板进行处理，以满足工作面在安全条件下正常回采。

1 井田概况

矿区范围内仅有第四系上更新统、侏罗系下统三工河组、八道湾组出露，主要含煤地层为侏罗系下统八道湾组，现主采煤层3-3号煤层，顶板为钙质胶结的砾岩及粗砂岩层，煤层下部地层为中、细砂岩，泥砂质胶结，岩性致密，裂隙不发育。构造表现为一走向近东西、倾向北的单斜构造，地层产状由353°∠33°渐变为345°∠37°，地层连续，地表及井下均未发现断裂构造，构造形态极为简明。

矿区内3-3号煤层顶板为砂砾岩或中砂岩，底板为粉砂岩，厚度稳定，节理、裂隙不发育，岩石整体性较好。依据检测结果，其物理力学性质如表1所示。

表1 3-3号煤层物理力学试验成果

处理工作面位于主斜井以西的一采区一区段内，工作面运输及回风顺槽均沿3-3号煤层走向布置，运输顺槽标高+1 123 m，回风顺槽标高+1 150 m。工作面运输及回风顺槽均为梯形断面、金属网锚喷支护，采用走向长壁悬移液压支架放顶煤采煤法，工作面开帮高度2.0 m，放顶煤高度3.0m。

2 初次放顶顶板处理方法的选取

目前处理坚硬顶板的方法主要有两种：高压注水弱化、超前预爆破处理。

超前工作面深孔预爆破处理坚硬顶板是距工作面一定范围内，在运输、回风两巷向巷道上部顶板岩层使用钻机打眼进行爆破，使顶板岩层产生裂隙，促使顶板岩层应力状态发生变化，坚硬难冒顶板变成随采随冒顶板[1]。该方法相对于高压注水弱化方法，不受顶板岩性的限制，适用于对不同岩性的岩石顶板的控制,岩体内爆破不受最小抵抗线限制，有效地控制不同高度的老顶岩体的坚硬顶板。

结合博斯坦乡联合煤矿3-3号煤层的赋存条件，顶板管理采用“超前工作面深孔预爆破处理坚硬顶板”的方法，初次放顶范围为：自开切眼后端煤壁起13 m范围内。

3 超前预爆破工艺

3.1深孔爆破作用机理

深孔爆破由于无宏观自由面，且采用不耦合装药方式，使其在爆炸冲击波、应力波作用下岩石破坏变为一个复杂的动力学过程。炸药在岩体中发生爆炸，炮孔周围岩石在强烈的冲击波及应力波作用下，径向发生着不同程度的破坏。

3.1.1 爆炸冲击波的冲击压缩效应

在炸药发生爆炸的瞬间，产生高温高压作用，在炸药与孔壁间隙中的空气上形成了空气冲击波。空气冲击波对岩石产生冲击压缩效应，其瞬时峰值压力远大于岩石的抗压强度，促使药卷周边岩石被破坏并形成粉碎区。

3.1.2 爆炸应力波的压缩、拉伸效应

虽然爆破冲击波产生的粉碎区范围很小，但消耗了冲击波的大部分能量，使得在粉碎区界面上衰减成为应力波，并继续在岩石中沿径向传导。岩石在应力波的作用下，径向上受应力作用，切向上受拉应力作用。由于岩石本身抗拉强度较低，在拉应力的作用下会产生一定范围的径向裂隙（由于岩石中存在一定的孔隙，相当于微观的自由面，更加有利于拉应力作用下产生径向裂隙）。

3.1.3 爆炸震动波的震动效应

爆炸所产生的应力波使岩石的径向产生裂隙，衰减后变为弹性震动波，并沿径向向岩石内部传递，直至消失。

3.1.4 爆炸气体的气楔效应

在爆炸后，采用有效的堵孔方法及手段，爆破所产生气体会在炮孔形成新的应力场，挤入径向裂隙，称为“气楔效应”。

3.2初次放顶参数设计

3.2.1 顶板处理高度确定

1）炮孔顶端最大装药高度。回采过程中威胁安全生产的顶板主要承压层即为下部的7.73 m中砂岩，超前预爆破的炮孔顶端必须达到这一高度，加之其上部有一层0.46 m煤层，使得下部处理区顶板更易于冒落，同时为提高顶板冒落高度，进一步破坏上部高位老顶（主要为上部的9.75 m粉砂岩），因此确定炮孔顶端最大装药高度为13 m（支架上方高度，含3.0m的顶煤高度）。

工作面开切眼开帮回采高度2 m，处理后顶板直接冒落岩石的堆积高度约为采高的6倍（岩石碎胀系数取1.3），基本形成厚约13m的连续岩石垫层，可避免采空区后方上部老顶垮落时产生的空气冲击波对工作面的危害。在矿山压力的作用下，采空区后方将不断继续冒落，直至地表。图1为处理高度示意图。

图1 处理高度示意图

2）炮孔下端装药高度。炮孔下端装药高度应以不影响回采工艺为原则，保证工作面安全，并且炮孔要有足够的充填堵塞长度。根据上述原则[2]，确定炮孔下端装药高度为5m。

3.2.2 炮孔布置

炮孔位置主要根据工作面顶板岩性特征、处理主要承压层及煤层倾角来布置[3]，初次放顶的炮孔布置采用分组双侧扇形布置的方式，在开切眼内及运输、回风顺槽内同时布设，共布置3组炮孔。

1）第1、2组（参数相同）炮孔：两组炮孔主要用于切断顶板的承压层，在处理范围内形成爆破裂隙带，降低顶板的整体结构强度，促使其在采动应力作用下及时垮落。

2）第3组炮孔：为强化初次放顶的效果，在距开切眼前方煤壁10m处的运输、回风顺槽内采用双侧扇形布孔方式，布置第3组炮孔，运输顺槽内布置2个炮孔，回风顺槽内布置3个炮孔。

3.2.3 炮孔参数

布置三组炮孔，共计15个孔，各炮孔参数如表2所示。

表2 初次放顶孔钻爆参数

3.2.4 堵孔结构及方式

本次爆破炮孔的堵孔结构采用刚-塑-刚结构，即在炮孔的上、下两端使用专用水泥，中部使用黄土细砂等塑性材料填充。该结构可保证爆炸气体所产生的冲击波，不冲孔，并能对岩石产生持续的破坏作用，提高爆破效果。

专用水泥选用锚固水泥卷，规格为：长度25 mm，直径35mm，每3卷捆扎在一起，浸水后人工推送至孔内并捣实。

中部充填的黄土细砂配比为黄土：细沙：水= 75：20：5，由充填堵孔器输送至孔内。

每孔装药封孔完毕后，在孔口段应留设不少于200mm的空段，用于放置联结好的导爆索和雷管，随后用黄土细砂封口。装药堵孔结构见图2。

图2 装药堵孔结构

4 顶板垮落状况

初次放顶爆破工作结束后，在约10 d内顶板开始逐渐冒落，15 d左右工作面后部已基本冒落，仅上端头三角区未冒，架后局部存在约1m～2m的悬顶，采空区后方已被冒落岩石充填。架后冒落的岩石，基本为泥质粉砂岩，块度不大，可见到由拉应力形成的次生裂隙。图3为工作面垮落示意图。

图3 工作面垮落示意图

5 结束语

采用超前预爆破处理坚硬顶板，初次放顶效果明显，减少了工作面大面积冒落造成的危害，符合国家相关安全要求。本项目的成功，对实施坚硬顶板条件下放顶煤采煤工艺初次放顶具有一定的指导和借鉴意义。

[1]李方立，王成，段长寿.超前深孔预爆破处理坚硬顶板的应用[J].矿山压力与顶板管理,2001(3)：72-74.

[2]赵文.超前深孔预裂爆破弱化采煤工作面坚硬顶板技术研究[J].煤矿开采,2012,17(5):88-90.

[3]董福凯.顶板弱化处理法在开采坚硬顶板煤层中的应用[J].中国煤炭工业,2011(12):38-39.

[4]李春睿.坚硬顶板深孔预裂爆破新技术及其应用[J].煤矿安全,2014,45(6)：76-78,82.

[5]王开.普采工作面坚硬顶板控制及其研究[D].太原：太原理工大学,2006.

[6]张杰.浅埋煤层顶板深孔预爆强制初放研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(3):339-343.

（编辑：樊敏）

First Top Coal Caving under Hard Roof of Top Coal W orking Face in Bositan M ine

FU Lihua,LOU Fang
(Coal Science Research Institute of the Xinjiang Uygur Autonomous Region,Urumchi,830091,China)

On the condition ofhard roof in Bositan Mine,Deep Hole Blasting in AdvanceWorking Face to Control Hard Roofwas used to realize natural falling of goaf and solve the challenge of difficult fallingof roof,which could create the condition for the safeproduction.

hard roof;advanceblasting;top coalcaving

TD327.2

A

1672-5050（2016）06-030-04 DO I:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.12.009

2016-04-21

付李华(1980-)，男，陕西渭南人，大学本科，高级工程师，从事矿山通风及安全技术研究。