坚硬顶板覆岩运动规律与控制技术研究

王衍辉

1. 宁阳县能源发展服务中心 山东泰安271400

摘要

本文在对坚硬顶板预裂爆破研究的基础上，得到了厚煤层厚硬顶板顶板深孔预裂爆破的损伤演化规律及单孔平均损伤破坏程度特征，提出了坚硬顶板条件下的顶板控制技术，针对不同层位的坚硬顶板分别制定了爆破方案，确定了爆破工艺参数。

关键词：坚硬顶板；数值模拟；预裂爆破；顶板控制

ABSTRACT

Based on hard roof based on the study of the pre-splitting blasting, the thick hard thick coal seam roof roof damage evolution law of deep hole pre-splitting blasting and characteristics of average single-hole damage degree, put forward under the condition of hard roof roof control technology, in view of the different horizon of hard roof, respectively, the blasting scheme, blasting parameters were determined.

Keywords: hard roof ; numerical simulation; pre-splitting blasting; Roof control

1 绪 论

夏阔坦煤矿顶板多为砂岩，顶板强度大，易形成大面积悬顶。正确的掌握坚硬顶板条件下覆岩运动规律与顶板控制技术，对于防止坚硬顶板大面积悬露和突然垮落导致的灾害事故，具有重要的理论价值和现实意义。

2 工程地质概况

2.1 工作面位置及四邻采掘情况

夏阔坦煤矿1007工作面位于主斜井以西，1005工作面西部。1007工作面位于主斜井以西，距工作面东部12m为1005工作面。工作面上方115m左右为下5煤采空区。

2.2 工作面煤层赋存条件

该面所采煤层为下10煤，黑色，粉末状~碎块状，性脆，平坦状~阶梯状断口，光泽暗淡，均一结构局部丝碳含量高，垂直裂隙发育，下部夹显像颗粒斑状煤块，煤层平均倾角为12.5°。

2.3 地质构造

该面地质构造整体较简单，无断层。

3 坚硬顶板采场覆岩运动规律研究

3.1 坚硬顶板采场矿山压力显现实测研究

3.1.1 周期性的破断来压步距大、动载系数高

夏阔坦煤矿采用的是综放开采，采高大，直接顶缺失，基本顶垮落高度大，顶板来压强烈，支架工动载系数很高。

3.1.2 支架载荷大且分布不均匀，合力点靠近后排支柱

支架载荷高是因为一次冒顶高，面积大，悬臂长。

3.2 坚硬顶板综放开采覆岩运动规律数值模拟研究

1）3DEC离散元软件简介

3DEC可以模拟不同节理材料的力学行为，基本模型是摩尔-库伦模型。

2）模型的建立

根据夏阔坦下10煤赋存条件和工程地质条件，建立下5煤层、1005工作面和1007工作面三维离散元数值模型。

3）模拟方案

为了更真实的研究夏阔坦下10煤开采上覆岩层运动情况，模型四周各留50m煤柱，并根据煤层开采参数和开采顺序进行设置开采方案。

4）模拟结果分析

根据分析，初次来压步距为70m，周期来压步距约为40m，第二层石英砂岩初次来压步距为40m，周期来压步距约为20m。

4 坚硬顶板控制技术研究

4.1 坚硬顶板处理方法

结合矿井现有技术条件，拟采用深孔预裂爆破方法对1007工作面坚硬顶板进行处理。

4.2 坚硬顶板预裂爆破的特点

（1）只有一个自由面（巷道帮面）。

（2）为了保护有限的作业空间环境，爆破中不允许产生抛掷或冲炮现象。

（3）炮孔深度达到30m左右、单孔最大装药量达到数十千克左右、一次起爆药量可以达到上百千克。

（4）结果不易直接观测。

4.3 坚硬顶板预裂松动爆破的弱化机理

利用炸药在岩体内爆炸时所产生的冲击波、应力波和爆生气体的共同作用，在岩体内形成空腔、压碎圈和裂隙圈；爆生气体作用在岩体形成一个准静态应力场，引起裂隙进一步扩张。

5. 综放工作面坚硬顶板预裂爆破技术应用

5.1 顶板运动致燃采空区瓦斯研究概况

5.1.1 岩石摩擦致燃瓦斯研究概况

借助岩层砌体梁理论对采空区内顶板状况分析认为，顶板断裂时应力达到重新平衡前，岩块间摩擦火花是引燃、引爆采空区瓦斯的主要原因。

5.1.2 采空区瓦斯爆炸（燃烧）综合防治技术

（1）瓦斯抽放

边掘边抽、采空区抽放和巷道预抽。

（2）采空区快速密闭

在半开放式采空区与回采工作面之间打上密闭墙。

（3）强制放顶

瓦斯浓度未达到爆炸界限时，把顶板放下来，是防止采空区瓦斯爆炸的有效手段。

5.2 坚硬顶板深孔爆破预裂松动弱化技术途径

5.2.1 顺槽深孔爆破

工作面处于周期来压阶段，放炮位置选取在两巷顺槽。

5.2.2 爆破工艺巷深孔爆破

因工作面长度150m，需在工艺巷及顺槽同时实施深孔爆破。

5.2.3 两巷顺槽顶板深孔拉槽截断爆破

沿上下顺槽顶板分别向工作面一侧方向打深孔，对顺槽上方顶板进行截断，增加顶板岩层运动自由面。

5.3 下位厚硬顶板深孔预裂爆破方案设计

5.3.1 炮孔布置方式

（1）首次爆破炮孔布置

炮孔开孔地点：工作面上下顺槽距煤壁13m处。

（2）循环爆破炮孔布置

当工作面现有情况下首次爆破实施后，从确保顶板有效截断角度出发，将循环爆破歩距控制在15m范围。

5.3.2 顺槽深孔爆破布置参数

装药系数0.6，封孔系数0.4，装药不耦合系数1.25。

5.3.3 放顶循环步距

初次放顶爆破开孔位置距煤壁垂线距离13m，炮孔控制范围10m。放顶循环步距初步定为15m。

5.3.4 爆破网路设计

爆破网路采用电雷管毫秒微差起爆网络，每个炮孔内装入同一段别的电雷管4发。联线方式为串联，起爆方式采用毫秒延期电雷管强力导爆索起爆。

6 主要结论

（1）经现场实测分析，确定坚硬顶板条件下矿山压力显现具有周期性的破断来压步距大、动载系数高，支架载荷大且分布不均匀、合力点靠近后排支柱，

顶板来压具有明显的时间差和步距差的特点。

（2）通过数值模拟研究，确定了1007工作面第一层细粒砂岩初次来压步距为70m，周期来压步距约为40m，第二层石英砂岩初次来压步距为40m，周期来压步距约为20m。

（3）通过坚硬顶板深孔预裂爆破弱化机理的研究、深孔预裂爆破粉碎区与破碎区的力学分析，得到了厚煤层厚硬顶板顶板深孔预裂爆破的损伤演化规律及单孔平均损伤破坏程度，为顶板深孔预裂爆破参数确定、方案设计提供了理论依据。

（4）综合运用矿山压力、爆炸力学、岩石力学、综放开采顶板破碎机理等理论，研究设计了厚硬顶板深孔预裂爆破方案，经过工业性试验验证，设计方案及确定参数科学、合理，符合强化顶板冒放性的要求。

参考文献

[1] 牟宗龙,窦林名,倪兴华,张明伟.  顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究[J]. 中国矿业大学学报, 2010,(01)：52~56.

[2]钱鸣高.采场矿山压力与控制[M]. 煤炭工业出版社,1983.

[3]宋振骐.实用矿山压力[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.

王衍辉（1986-）男 山东泰安人 汉 研究方向：矿业工程

1