井下硬质顶板综采面爆破放顶工艺的应用研究

王志仁

（山西煤炭运销集团吕梁有限公司，山西 孝义 032300）

硬质顶板是一种结构强度高、承载力大、难以垮落的顶板，由于结构坚硬，很难在矿压波动下自行垮落，所以在综采面形成一个悬空的顶板层，随着悬空长度的增加，可能会突然垮落，给煤矿井下的综采作业安全带来了严重的隐患。在对前人研究的基础上，提出了一种新的井下硬质顶板综采面爆破放顶工艺，利用超前深孔松动爆破加深对顶板进行弱化处理，同时为了确保效率和弱化效果的统一，采用了超前深孔+浅孔混合松动爆破技术。

1 现状分析

以井下典型硬质顶板综采面为例，其煤层倾角约为5°，煤层的高度约为5.6 m，综采面的直接顶高度为2.5 m 的砂岩，其整体强度低，但巷道基本顶为细粒砂岩结构，其抗压强度为104.7 MPa，普氏系数为10.6，基本顶的厚度为7.9 m，属于典型的高硬度顶板结构，在综采面进行初采期间无法自行垮落，极易产生塌方事故，利用FLAC 仿真分析软件对井下巷道工作面推进到不同距离情况下的矿压显现规律进行研究，发现当综采距离推进到37 m 时，巷道老顶发生了断裂，因此可以确认，井下巷道发生了初次来压，其分析结果如图1 所示。

图1 综采距离为37 m 时的矿压显现规律

2 顶板高度确定

根据分析，要使顶板爆破垮落后达到完整充满采空区的目的，则巷道顶板需要满足以下要求[1]：

式中：H 为巷道顶板垮落高度，m；ξ 为巷道顶板岩层的碎胀系数，取1.5；H1为煤层的综采作业高度，5.53 m。由此可知，在井下巷道内，为了确保顶板垮落后的稳定性，其顶板的垮落高度需要大于11.06 m。

3 爆破方案优化

针对进行综采面顶板的实际情况，提出了采用超前深孔+浅孔混合松动爆破的方案[2]，将综采面分为I～V 共5 个区域，在爆破方式上，共规划了两种形式，形式一是将浅孔布置在（I、II、IV、V）区域，将深孔布置在III 区域，形式二是将浅孔布置在（I、V）区域，将深孔布置在（II、III、V）区域。

通过对两种方案的对比，方案二由于增加了深孔的数量，因此相对具有更好的爆破效果，更能适应井下硬质顶板的有效爆破，同时在深孔的两侧增加8个炮孔，将炮孔的仰角设置为75°，炮孔深度设置为11 m 装药的长度设置为8 m，封孔的长度设置为4 m。

在确定布置方案后，为了确保在综采作业过程中不会出现大面积的悬空情况，实际的深孔+浅孔爆破布置结构如下页图2 所示[3]。

由图2 可知，布置时在综采面中间位置设置的为深孔，在两侧设置的为浅孔，在进行爆破时需要采区对应的保护措施，避免设备受到损坏。

图2 深孔+浅孔布置结构示意图

机头处爆破，为了避免损伤机头，在机头架到切眼的后侧设置两排密集的木垛，为了提高木垛的防护效果，木垛应该设置在巷道的中间位置，在木垛中间需要留出适当的空间，满足井下打眼和爆破作业的需求，炮眼在布置时需要倾斜到综采面侧，炮眼距离顶板垂直距离应不小于6 m，每个炮眼之间的距离设置为1.8 m，在机头位置的炮眼爆破参数见表1。

表1 机头位置炮眼爆破参数表

综采面之间爆破，在综采面架间的爆破，炮眼距离工作面架间应不小于6 m，炮眼的位置可以根据井下作业面的实际情况确定，与各设备保证3 m 以上的安全距离即可，然后在该处爆破所用的药芯应和延迟雷管[4]配合使用，确保爆破时的安全性，在综采面架间的爆破参数如表2 所示。

表2 综采面架间爆破参数表

井下运输巷侧爆破措施，随着井下综采作业的进行，综采面机头每推进2 m，就在该段煤柱的约3 m高度处斜向后侧沿着煤柱设置一个深度为4 m 的炮眼，对其进行爆破处理，削弱该段煤柱处综采面顶板的支撑强度，该位置的爆破参数如表3 所示。

表3 运输巷爆破参数表

通过对不同的位置，针对性地设置不同的爆破方案，能够在保证综采面安全的情况下最大限度的提升对硬质顶板的爆破效果。

4 爆破效果分析

根据以上布置方案，对井下巷道顶板进行爆破处理，根据爆破结果，直接顶的垮落是从采煤机的尾部向头部发展的，综采面的顶板垮落后的来压步距由37 m 降低到了14.7 m，同时整个综采面的来压强度显著的降低，来压规律性强，有效提升了井下综采作业的安全性和稳定性。

5 结论

1）利用FLAC 仿真分析软件，能够有效的模拟井下巷道在不同综采深度情况下的矿压情况，便于及时识别初次来压步距；

2）为了确保在综采作业过程中不会出现大面积的悬空情况，根据井下的实际情况，在综采面端部、综采面工作架间、煤柱侧等进行补充爆破，确保对顶板的弱化和松动效果；

3）通过对不同的位置针对性的设置不同的爆破方案，能够在保证综采面安全的情况下最大限度的提升对硬质顶板的爆破效果；

4）新的放顶煤工艺能够有效的降低顶板来压的步距，确保顶板能够及时垮落。