坚硬顶板预裂爆破强制放顶数值分析

温有财

（大同市焦煤矿有限责任公司，山西 大同 037000）

1 工程地质背景

大同焦煤一矿8503工作面位于井田西部，煤层厚度约6～14m，平均厚度8m。工作面走向长度为118m，倾斜长度151m，煤层结构复杂，层位稳定。回采方法选用走向长壁综合机械化低位放顶煤法，顶板管理方法采用全部垮落法。采用深孔欲裂爆破弱化强制放顶处理方法来避免初采期顶板垮落造成的飓风灾害。

8503 工作面直接顶厚度5.99m，基本顶厚度17.48m，基本底12m。

2 预裂爆破强制放顶破断特征

采用UDEP数值分析软件进行模拟分析，模拟检验深孔欲裂爆破强制放顶技术的适用性。顶板初次来压步距、周期来压步距数值的比较分析依据为UDEP数值模拟分析结果，进而结合数据对深孔欲裂爆破强制放顶技术的欲裂效果开展具体分析工作。

8203 工作面为水平煤层，井下标高为1043～1087m。在模拟实验方案的设计中，预裂高度分别设计为5m、10m、15m，采用位移固定模型上表面应力边界、左右边界、下边界条件。

（1）未采取强制放顶的顶板垮落规律

观察工作面推进中采场覆岩垂直位移云图以及垮落程度。当工作面煤层开挖10m时，直接顶开始出现明显离层；开挖20m时基本顶开始出现离层；当工作面开挖30m，远离切眼39m时，基本顶中部出现断裂但未垮落，直接顶垮落。基本顶第一次观察到完全垮落为开挖40m时，而当工作面开挖70m时，采场顶板呈现第一次周期来压的特征，基本顶垮落位置迁移增大。由此可见，当回采面不断掘进时，开始显现越来越明显的煤壁超前距离应力集中现象。当工作面推进49m时，顶板破碎垮落岩层进一步压实，此时煤壁超前距离应力集中程度的周期性趋势表现的越来越明显，应力峰值先增大后减小，表明此时工作面顶板进入周期来压开采状态。

（2）采取预裂爆破强制放顶后的顶板垮落规律

随着回采掘进，爆破强制放顶技术的超前深孔欲裂孔间距设定为15m，预裂高度20m，预裂线方向与煤壁平行。钻孔施工应根据工作面周期来压规律，在每次周期来压前15m施工一组深孔爆破钻孔（可根据工作面顶煤垮落现状具体增大或缩小放顶步距），钻孔参数按照本工作面初次放顶孔参数施工，目的为再次切断基本顶，确保安全生产。

随着工作面的推进，当开挖10m时，基本顶与上覆岩层预裂线出现层位交错，基本顶进入初次来压破断状态，直接顶进入随采随落状态；开挖20m时，工作面经历初次来压开采状态，初次来压步距在19～29m；开挖40m时，采场后方的顶板垮落，垮落岩石被压实，进而分担了上覆岩层的部分压力，工作面安全得到保证；开挖50m后，周期来压呈现，周期来压步距推测为15m，此时采场工作面为周期来压开采状态。由此可见，当工作面采煤作业时，顶板处理方法采取深孔欲裂爆破技术时，直接顶、基本顶垮落步距均减小，其优势表现在，步距减小导致顶板垮落形成的冲击力减小，进而其对工作面的冲击效应减小。从数据分析可知，工作面采场前方岩层的应力集中位置、大小与预裂线距煤壁的距离关系显著，预裂线将煤层上方顶板分割为块状岩体，从而使超前集中应力峰值出现在下一步工作面推进过程中。

（3）结果分析

结合大同焦煤一矿8503工作面地质背景，在同一工况条件下分析两种放顶工艺对顶板垮落特性，并进行对比分析。通过上文的分析，可得出以下结论：

① 当工作面顶板处理方法选择深孔欲裂爆破技术后，顶板初次来压垮落步距和周期来压垮落步距均发生显著变化，分别降低50%与25%～50%，这说明对于强硬顶板条件下的煤矿开采，采取深孔预裂爆破强制放顶措施能够有效改善工作面顶板管理作业条件。

② 当工作面采场顶板处理方法选择深孔预裂爆破技术后，导致顶板欲裂线间岩体破碎呈现大块特征，表现出剪切破坏特征，但在摩擦力的作用下，块体滑移并未出现直接破断垮落，进而使工作面顶板破断呈现台阶状破断特征。

3 预裂高度对顶板破断特征的影响

（1）不同预裂高度顶板垮落规律

模拟分析参数设计结合工作面推进实际，设计5m、10m、15m三个预裂高度，则：

5m预裂高度：开挖20m，基本顶未垮落，而直接顶的第一次部分垮落现象出现；开挖30m时，直接顶呈随采随落状态，基本顶下部部分垮落，但未裂部分仍在承载范围值内；开挖40m时，工作面呈现初次来压状态，基本顶完全垮落，上覆岩层也完全垮落，煤壁处位移增加明显。由此可见，当预裂高度设置为5m时，通过深孔预裂爆破弱化硬顶板的目的未实现。

10m预裂高度：开挖10m过程中，基本顶与上覆岩层离层情况未出现，但直接顶发生变化，呈现下部部分垮落现象；推进20m，基本顶未垮落，直接顶则完全垮落；开挖30m时，直接顶完全垮落，基本顶预裂部分完全垮落，工作面初次来压显现，但上覆岩层垮落不明显，因此工作面初次来压释放不完全；开挖40m时，初次来压完全释放，基本顶与上覆岩层完全垮落。由此可见，当设计为10m预裂高度情况下，采用深孔欲裂爆破技术并未达到理想的硬顶板弱化效果。

15m预裂高度：开挖10m过程中，基本顶预裂部分出现明显的离层现象，直接顶下部完全垮落，铰接旋转特点显现；开挖20m时，基本顶预裂部分垮落完全，直接顶完全垮落，工作面初次来压，但未完全释放；开挖30m时，基本顶完全垮落，上覆岩层完全垮落，初次来压完全释放。由此可见，当预裂高度为15m时，初次来压步距减小幅度较大，采用深孔欲裂爆破技术基本可实现硬顶板弱化的效果。

（2）不同预裂高度工作面压力变化规律

当预裂高度设置为5m时，直到工作面推进40m时，工作面采空区煤壁压力瞬间增大，工作面初次来压状态显现。随着开采掘进面的不断推进，煤壁处压力呈现逐渐减小的状态。当推进70m时，工作面首次显现出周期来压，由此可见，工作面周期来压步距推测约为30m。

当预裂高度设置为10m时，工作面推进30m时呈现初次来压状态，而40m时煤壁处压力增大，之后随着工作面推进而减小。当工作面推进到70m时，煤壁处压力再次突然加大，工作面首次周期来压显现，周期来压步距约为30m，但初次来压未完全释放。

当预裂高度设置为15m时，工作面推进20m时呈现初来压状态，之后随着工作面推进，煤壁处压力逐渐减小。当工作面推进60m时，工作面顶板周期来压显现，煤壁处压力再次突然增大，推测可知工作面顶板周期来压步距约为20m。由此可见，当预裂高度设置为15m时，能够达到预裂爆破弱化硬顶板的目的，进而使工作面实现安全生产。

4 结论

通过模拟分析可知，当采取深孔预裂爆破强制放顶措施，且预裂高度设置为15m时，对工作面硬顶板的弱化效果明显，能够实现人为控制工作面顶板破断垮落步距的目的，实现安全生产，并降低预裂成本。在工作面实践生产中，结合大同焦煤一矿8503工作面实际，实施深孔预裂爆破强制放顶措施，实现了安全生产，获得了较高的经济效益和社会效益。