坚硬顶板回采工作面强制放顶技术研究

赵海蛟

摘 要：以15605回采工作面坚硬顶板强制放顶为工程背景，采用理论计算法对回采面顶板强制放顶来步距进行计算确定，并设计确定了合理的强制放顶参数，初次放顶时的距离回采面煤壁35m，周期放顶距离回采面煤壁30m，在回采巷道内超前布置爆破孔，现场应用结果表明，确定的爆破步距以及爆破钻孔参数能有保证回采工作面安全生产的需要，为矿井坚硬顶板工作面强制放顶提供了较好的经验借鉴。

关键词：回采工作面;坚硬顶板;强制放顶;放顶步距

15605回采工作面开采15号煤层，煤层顶板为坚硬，且难以垮落的石灰岩。工作面在正常回采推进过程中，顶板初次来压以及周期来压的步距较大。当顶板出现大面积的垮落时会给回采工作面带来较大的冲击，严重时甚至冲倒支架，损坏巷道，造成回采面出现人员伤亡以及财产损失。为了确保回采工作面的安全顺利推进，文中对深孔预裂爆破技术在坚硬顶板强制放顶中的应用情况户进行分析介绍。

1 工作面概况

15605回采工作面位于矿井6采区东侧，15603回采工作面采空区以南，6采区集中运输巷以东。回采工作面平均埋藏深度在440m，工作面斜长为180m，走向长度为1600m，开采高度在2.6m，煤层结构较为稳定，部分夹杂有1层夹矸，煤层倾角在5～8°，平均6°，无直接顶，老顶为厚度在9m的石灰岩，坚硬。煤层底板为厚度在2.6m泥岩，回采面采用的液压支架型号为ZZ9600/16/32，液压支架的额定工作阻力在9600kN。

2 强制放顶步距确定

回采面推进之后，老顶的力学模型可以简化为间支梁，回采面煤壁端尾固定支座，采空区侧为简支。根据材料力学有关理论，可以知道，煤层老顶承受的载荷可以由下式进行计算：

其中，q表示为梁体受到的载荷（kN/m2）;K表示作用在煤体老顶之上的岩体厚度系数（取值为6）M表示为回采面的最大开采厚度（取值为2.6m）;R为岩体容重（取值为2300kg/m3）。通过带入相关系数，可以求得q=359kN/m2。

老顶的极限垮落步距可以由下式计算取得：

其中，RT表示老顶的极限抗压强度（取值为9MPa），q表示岩体受到的载荷（取值为0.36MPa），h表示

为岩体厚度（取值为9m）。

根据煤层顶板受到的支撑作用力，运用载荷估算法对顶板来压期间的岩壁悬露长度进行计算，具体计算公式如下所示：

其中，r表示覆岩容重（取值为29kN/m3），h表示为岩层厚度（取值为9m）;p表示支架的最小支护强度（MPa）。

通过上式计算可以得知，回采面顶板的合理悬露长度不应超过50m，为了有效保证回采面安全，将回采面的放顶步距确定为30m。

3 强制放顶技术方案

3.1 预裂爆破钻孔布置

在15605回采工作面进风巷以及回风巷每隔30m距离布置一组预裂爆破钻孔，第一组深孔预裂爆破钻孔距离回采面切眼35m。每一组深孔预裂爆破钻孔布置5个预裂炮眼，采用A～H进行标号，其中布置的预裂爆破钻孔中A～E与回采面平行布置，F、G、H爆破孔与巷道中心线位置呈18°，具体的预裂爆破钻孔布置平面图如图1所示，剖面图如图2所示。

3.2 爆破时间

回采工作面初次进行强制放顶时，放顶硐室中心线的位置距离回采面煤壁≥14m，周期强制放顶煤时的放顶硐室中心线位置距离回采工作面煤壁的距离≥42m。

3.3 预裂爆破起爆顺序

强制放顶预裂爆破起爆顺序由内至外依次进行，每次爆破起爆两个2炮眼，分组进行装药，分次进行爆破。在对起爆钻孔进行布局时根据“局部并联”“总体串联”方式进行，具体为起爆两个串联爆破孔，一个孔内的并联爆破孔。具体的起爆顺序为先起爆A、B两组爆破孔，随后起爆C、D两组爆破孔，接着起爆E、F两组爆破孔，最后起爆G、H爆破孔。

3.4 爆破钻孔施工技术措施

在爆破钻孔施工过程中，需要确定好钻孔施工角度，用罗盘标记钻孔方位角，标记之后再進行钻孔施工，钻杆平稳的对准开眼标记位置;才开始施工钻孔时需控制钻孔钻进速度，严格防止钻杆钻进速度过快或者钻进位置存在较大偏差。

在回采面回采巷道内施工爆破钻孔时，施工完成一个可以采用绞车辅助运送钻机方式。在运移过程中拆除全部油管，用绳索扣紧钻机后座，并将绳索与绞车连接。使用绞车拉钻机时，绞车与钻机之间的位置严禁站人，并提前将运用通道清理干净，出现异常时及时停止钻机移动，停机进行处理。

4 强制放顶效果分析

初次放顶时回采面的推进距离为35m，煤层的开采厚度为2.6m，初次强制放顶的工作面来压较为明显，但是不会给工作面液压支架以及工作人员造成安全威胁，初次强制放顶结果后支架的最大工作阻力为额定工作阻力的1.15倍，回采面的通风、设备等均保持在正常状态，未给回采工作带来明显的不利影响;工作面推进过程中每隔30m进行一次强制放顶，回采面周期来压期间液压支架的最大工作阻力为额定工作阻力的1.05倍，来压较为稳定，强制放顶取得了较为明显的应用效果。

5 总结

15605回采工作面顶板为坚硬的石灰岩，顶板难以垮落，采空区悬露面积过大会给回采工作的安全推进造成显著影响。因此，通过强制放顶技术，有效的避免了采空区空顶面积过大问题，现场应用实践也表明，设计的初次放顶布局以及周期放顶距离以及爆破钻孔参数较为合理，能有效的保证回采面的安全生产。

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