松河煤业120306 工作面坚硬顶板弱化技术研究

曾诚，杜进朝，敖学俊，龙声德

（贵州松河煤业发展有限责任公司，贵州六盘水 553000）

煤炭资源一直在我国一次性能源消费结构中占据主导地位，虽然近年来新能源行业发展势头迅猛，但煤炭资源仍然占据我国能源供应“压舱石”的地位。在煤矿开采过程中，顶板事故数量及伤亡人数在煤矿各类事故中占比较大，尤其是煤层开采过程中，顶板岩层较为坚硬，容易形成大面积悬顶，一旦处理不当极易引发冒顶事故。本文以松河煤业为工程背景，对于工作面坚硬顶板弱化技术进行分析、研究。

1 概况

松河煤业位于贵州省六盘水市盘县北部的松河彝族乡，目前主采3 号煤层，平均煤层厚度为2.3 m，煤层上方依次为均厚12.8 m 的粉砂岩和均厚3.9 m 的细砂岩，煤层下方依次为均厚9.5 m 的粉砂岩和均厚5.6 m 的细砂岩。3 号煤层顶底板岩层岩性及厚度见表1。

表1 3 号煤层顶底板岩层岩性及厚度Table 1 Roof and floor rock lithology and thickness of No.3 coal seam

根据松河煤业3 号煤层已采工作面现场实际情况，采场上覆粉砂岩厚度较大，且完整性较好，节理裂隙发育不充分，导致工作面回采过程中，采空区很容易形成大面积悬顶，后续需要通过一系列强制放顶措施以避免冒顶事故的发生，极大的影响了工作面回采进度及现场的安全生产。因此，提出采用深孔预裂爆破的方式对顶板岩层进行弱化，以防止采空区形成大面积悬顶，并在松河煤业120306工作面进行现场试验。

2 方案设计

2.1 数值模拟分析

为分析预裂爆破对顶板岩层的损伤范围，借助ABAQUS 数值模拟软件，以松河煤业3 号煤层赋存条件为基础构建数值模型，3 号煤层顶底板岩层物理力学参数见表2。

表2 3 号煤层及其顶底板岩层物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of No.3 coal seam and its roof and floor strata

按照松河煤业地质条件及施工条件，预裂爆破孔直径设计为75 mm，根据以往数值模拟经验，模拟计算范围应不小于钻孔直径的60 倍，约4.5 m左右。采用四节点平面应变单元进行网格划分，数值模型网格划分如图1 所示。

图1 数值模型网格划分Fig.1 Numerical model meshing

2.1.1 单孔爆破

单孔爆破过程中，应力分布如图2 所示。

图2 爆破过程中应力分布情况Fig.2 Stress distribution in blasting process

如图2 所示，在爆破过程中炸药产生的冲击波呈放射状传播，冲击波引发的冲击应力同样也呈现放射状分布，炮孔周边岩体在冲击应力的挤压作用下形成节理、裂隙，从而达到弱化顶板坚硬岩层的目的。根据数值模拟结果，预裂爆破冲击应力影响范围约为2～3 m。

2.1.2 联孔爆破

根据前述研究结果，对预裂爆破孔间距分别为1、2、3、4 m 等不同工况条件下进行模拟分析，不同预裂爆破孔间距条件下炮孔应力分布如图3 所示。

图3 不同炮孔间距条件下应力分布Fig.3 Stress distribution under different hole spacing conditions

如图3 所示，不同预裂爆破孔间距条件下爆破过程中应力分布差别较大。当预裂爆破孔间距为1 m 时，质点峰值振动速度263 cm/s，炮孔周边岩体处于完全破碎状态；当预裂爆破孔间距为2 m 时，质点峰值振动速度115 cm/s，炮孔周边岩体受冲击应力的影响，拉伸裂隙及径向裂隙均充分发育；当预裂爆破孔间距为3 m 时，质点峰值振动速度80 cm/s，在爆破冲击应力作用下，拉伸裂隙及径向裂隙发育较为充分；当预裂爆破孔间距为4 m 时，质点峰值振动速度61 cm/s，由于炮孔间距较大，在冲击应力作用下炮孔周边岩体仅能产生轻微的拉伸裂隙及径向裂隙。

整体看来，当预裂爆破孔间距为1 m 时，由于炮孔间距过小，炮孔周边岩体过于破碎，对后期工作面回采过程中巷道围岩的稳定性造成较大影响；当预裂爆破孔间距为4 m 时，由于炮孔间距过大，所形成的节理裂隙无法有效的弱化坚硬顶板岩层；当预裂爆破孔间距为2 m 或3 m 时，炮孔之间形成的节理、裂隙可以贯通，而且围岩并不止于过分破碎，不会影响巷道围岩的稳定性。为保证坚硬顶板弱化效果，让爆破形成的拉伸裂隙及径向裂隙更为充分，确定此次预裂爆破孔间距为2 m。

2.2 方案设计

根据松河煤业3 号煤层已采工作面现场观测，悬顶岩层主要为3 号煤层上方均厚12.8 m 的粉砂岩，因此预裂爆破主要针对3 号煤层上方的粉砂岩。根据临近矿井相似地质条件的预裂爆破工程经验，设计采用扇形孔的方式对顶板坚硬岩层进行预裂爆破，预裂爆破孔垂直高度不小于12.8 m，保证工作面上方粉砂岩层的弱化效果。如图4 所示，共设计两类预裂爆破孔，其中预裂爆破孔A 与竖直方向夹角为20°，孔深14 m；预裂爆破孔B 与竖直方向夹角为60°，孔深26 m；在松河煤业120306 轨道巷和皮带巷均施工预裂爆破孔，预裂爆破孔间距为2 m。预裂爆破孔参数见表3。

图4 钻孔布置示意Fig.4 Borehole layout

表3 预裂爆破孔参数Table 3 Pre-splitting blasting hole parameters

3 现场试验

按照前述设计方案在松河煤业120306 工作面进行现场试验。在120306 轨道巷及皮带巷施工预裂爆破孔A 和预裂爆破孔B。在工作面回采前，即进行预裂爆破，将工作面上方均厚12.8 m 的粉砂岩弱化。根据矿方现有条件，确定采用2 号矿用乳化炸药进行爆破，炸药尺寸为60 mm×500 mm，每卷药卷1.5 kg，2 号矿用炸药参数见表4。

表4 2 号矿用乳化炸药技术参数Table 4 Technical parameters of No.2 mine emulsion explosive

为了解顶板岩层弱化效果，对工作面回采过程中液压支架工作阻力及采空区顶板岩层垮落情况进行现场监测。工作面液压支架每隔5 架安装1 台应力监测仪。为分析方便，将工作面划分为上、中、下3 个区域，其中5 号、10 号、15 号、20 号液压支架划分为工作面上部，45 号、50 号、55 号、60号液压支架划分为工作面中部，85 号、90 号、95号、100 号液压支架划分为工作面下部，工作面液压支架工作阻力现场监测曲线如图5 所示。

图5 工作面液压支架工作阻力监测曲线Fig.5 Working face hydraulic support working resistance monitoring curve

如图5 所示，监测期间工作面共来压6 次，其中工作面上部周期来压步距平均为18.2 m，来压期间液压支架工作阻力平均值为2609.4 kN，最大值达到2709.2 kN，非来压期间，工作阻力平均值为2356.8 kN，最大值为2397.4 kN；工作面中部周期来压步距平均为18.4 m，来压期间液压支架工作阻力平均值为2668.1 kN，最大值达到2750.1 kN，非来压期间，工作阻力平均值为2382.1 kN，最大值为2446.2 kN；工作面下部周期来压步距平均为18.9 m，来压期间液压支架工作阻力平均值为2737.5 kN，最大值达到2855.2 kN，非来压期间，工作阻力平均值为2373.6 kN，最大值为2436.1 kN。整体看来，工作面上部、中部、下部周期来压步距基本接近，平均为18.5 m，预裂爆破后采空区并未出现大面积悬顶情况，顶板垮落效果良好。

4 结语

本文针对松河煤业3 号煤层上方存在厚硬顶板岩层，工作面回采过程中顶板岩层不易垮落的问题，采用理论分析、数值模拟，提出采用深孔预裂爆破的方式对厚硬顶板岩层进行弱化，并进行现场试验。根据3 号煤层赋存情况，共设计两种预裂爆破孔，其中预裂爆破孔A 与竖直方向夹角为20°，孔深14 m，预裂爆破孔B 与竖直方向夹角为60°，孔深26 m，炮孔间距为2 m。通过现场试验，对顶板岩层进行神孔预裂爆破后，工作面周期拉压步距为18.5 m，采空区顶板岩层垮落效果良好，保证了工作面安全开采。