火成岩坚硬顶板强制放顶技术研究

索咏旭

摘要：对于厚重坚硬的火成岩顶板需采用人工强制放顶的办法，在火成岩悬顶达到极限跨距步距之前采用钻孔爆破的方式使其提前强制垮落，继而避免大面积悬顶的出现，杜绝因此而产生的强烈坍塌风暴和各种矿井地质灾害。

关键词：火成岩顶板;强制放顶;技术研究

在矿井开采中，由巨厚火成岩构成的坚硬顶板具有较强的稳定性，短期内不易自然垮落，初次垮落步距是普通坚硬顶板的三倍以上，在采空区很容易形成大面积的悬顶。大面积悬顶对于采面安全生产来说是极大的威胁，会对支架和两帮煤壁产生极大压力作用，存在大面积垮落的风险。一旦出现大面积悬顶垮落便会形成强烈的坍塌风暴，不仅会对井下的人员、设备直接产生冲击，还会引发很多不确定的次生的地质灾害，往往会造成严重的人员和财产损失。因此，如何防止大面积悬顶的出现也是火成岩坚硬顶板下煤矿安全开采的关键。对此，需采用人工强制放顶的办法，在火成岩悬顶达到极限跨距步距之前采用钻孔爆破的方式使其提前强制垮落，继而避免大面积悬顶的出现，杜绝因此而产生的强烈坍塌风暴和各种矿井地质灾害。本文结合郭二庄矿火成岩顶板管理实践，对坚硬顶板强制放顶技术进行了研究。

一、强制放顶作用机理

火成岩质地坚硬，单向抗压强度可达200MPa以上;并且岩体结构中的裂隙、层理、节理等都不发育，整体稳定性好，在下压煤层开采之后很难自然垮落。以郭二庄矿四采区为例，煤层上下均有火成岩侵入，顶板均为火成岩构成，平均厚度为25m。老顶初次来压步距一般可达数十米，老塘悬顶面积要达到几千平方米时才会冒落。如此大面积的坚硬顶板瞬间垮落下来，不仅由于自身重量会产生严重的冲击破坏，更为严重的是会将采空区空气瞬时挤出，空气在压力作用下形成巨大的坍塌风暴吹倒附近的支架，破坏通风系统，伤及人员设备;并引起其它次生的地质灾害。强制放顶就是通过人工爆破的办法，人为地破坏顶板的完整性，缩短工作面初次来压步距和减少老塘悬顶面积。如此则可以减弱顶板冒落时产生的冲击风暴，避免顶板来压时对采场的危害。

二、强制放顶的施工技术措施

1、确定强制放顶步距

确定放顶步距是强制放顶作业中最为关键的环节，是保证放顶施工和顶板安全的关键。步距过小会影响推进速度，增加不必要的放顶工作量;步距过大则可能存在顶板坍塌冒落的风险。确定老顶的极限跨距步距则是最为理想的方案。回采面推进之后，老顶的力学模型可简化为间质量受力模型，采空区侧壁为简支，采面煤壁端尾固定支架。由此可根据下面公式计算出老顶所承受的荷载：

q=KMR

式中M为回采面最大开采厚度;R为岩体容重;K为老顶上部岩体厚度系数。通过带入相关系数可求的q值（kN/m2）。

求得q值之后，可继续采用下列理论公式计算出老顶的极限跨距步距。

L=h√4R/3q

式中h为岩体厚度;q为岩体受到的荷载;R为老顶抗压极限强度。

2、布置爆破钻孔

爆破钻孔应按照“总体串联”、“局部并联”的方式布置，以确定的垮落步距和悬顶面积为限，在采面进风及回风巷每隔30m距离布置一组深孔预裂爆破钻孔，每组钻孔根据顶板宽度布置5～10个预裂炮眼。为保证爆破效果，每组预裂爆破钻孔应错开角度，一部分与回采面平行布置，一部分与巷道中心线呈18°角。采用刀柱采空区强制放顶，打眼工具使用凿岩机打眼，炮眼布置为：眼距1.0 米，眼深2米，仰角60-75度，沿工作面上下安全出口方向布孔。每眼炮眼装药量为4节0.6kg。

3、钻孔施工

施工时需用罗盘标确定钻孔的方位与角度，并做好标记，然后再进行钻孔施工。钻孔时需掌握好钻头的钻进角度与钻进速度，平稳缓进，以避免钻孔的位置和角度出现偏差。一组钻孔施工完毕后，需采用绞车拉送钻机，按照设定的距离进行下组钻孔的施工。

4、爆破间隔

回采工作面初次强制放顶时，放顶硐室中心线位置距离回采面煤壁需大于14m;周期性放顶煤时，该距离需不小于40m。

5、起爆順序

爆破宜采用分组爆破的方式，按照由内及外的顺序，分组装药、分组爆破，每次起爆两个炮眼。

三、强制放顶安全技术措施

1、加强支护管理

工作面支柱必须落正顶地板，严禁歪斜，不符合的支架必须返工，逐步实施采煤工作面质量标准化管理。根据支护管理要求，每推进一排为一个循环，在切顶排回柱后，切顶线向煤壁排移动，如果初次放顶后，顶板不能自然冒落，则必须采取强制放顶的办法处理采空区空顶。在强制放顶前，必须把空顶距范围内的支护打好，有泄压的支柱必须更换，上下安全出口20米加强支护到位，切顶线排支护必须加打密集支柱，局部压力大的地段需打戗柱。

2、规范人员操作

采取强制放顶打眼时，为保证作业安全，操作人员必须在最后一排控顶距内打眼，严禁在采空区内操作;当工作面向煤壁推进时，炮眼则露在控顶距外。操作人员向顶板打眼前，必须先检查打眼范围内的支护是否故牢固，顶板有无脱层、离层现象，发现隐患时必须先排除隐患，直到顶板安全为止，经跟班管理人员检查安全后才能打眼。如果顶板在控顶距范围内出现断裂情况的，跟班管理人员在现场监督打柱工加强支护外，结合顶板的来压情况，能自行垮塌的顶板，则不需要采取人工打眼强制放顶。当支柱向煤壁移动，炮眼露在采空区时，现场跟班管理人员组织人员安排炮破放顶工作，每推进一个循环，根据顶板的来压情况，采取相应的放顶措施。实行强制放顶炮破时，必须撤出一切与强制放顶无关的人员，放炮站设在距采煤工作面大于120米处，并设岗警戒;爆破后必须经过安监技术人员确认后方可恢复采面正常作业。

四、结语

强制放顶是一种主动的，通过人工干预防止顶板大面积冒落的技术手段，是回采作业中针对厚重坚硬的火成岩顶板最为有效的措施。在类似于郭二庄这类低瓦斯矿井中具有良好的应用效果。

参考文献：

[1]史红宇.综采面厚层坚硬顶板强制放顶技术研究[J].《山西煤炭》，2010 （8） ：57-59

[2]吕宏京.康城煤矿火成岩坚硬顶板强制放顶技术的探析及应用[J]，《中国煤炭工业》，2014 （7） ：58-59