康 阳

(山西高河能源有限公司，山西 长治 046000)

大采高顶板预裂技术研究

康 阳

(山西高河能源有限公司，山西 长治 046000)

根据大采高工作面特点,提出了顶板预裂技术,减弱了顶板强度,合理控制来压步距,为大采高开采技术提供理论依据和技术经验,对提升大采高开采技术水准,保持矿区煤炭产量持续增长具有重要意义。

大采高;顶板预裂;爆破;检测

我国是煤炭大国,煤炭被誉为我国的经济和工业发展的推动力,同时,煤矿开采过程中的安全问题也是我国同行专家所关注的问题之一[1-3]。确定经济合理的开采工艺以及使用高效的施工工艺,对于煤矿来说具有重大意义[4-6]。

文章针对我国部分大采高工作面推进过程中顶板坚硬,整体性强,来压步距大等特点,根据实际情况,提出强制放顶工艺进行系统研究,开展对大采高综采工作面强制放顶施工机具、放炮方案、放顶工艺等整个系统研究,研究成果可指导煤矿厚煤层安全高效开采,进一步提高工作面安全管理质量具有重要意义。

1 工作面岩层力学特性及矿压理论分析

1.1 工作面顶板力学特性

大采高煤矿主要集中在我国西部地区,以内蒙古自治区准格尔旗薛家湾镇孙家豪煤矿为例。该矿直接顶单轴抗压强度平均18.57 MPa,强度较大,老顶岩性以细砂岩为主,厚度和强度均较大,总厚11.23 m,分为3、4、5、6、7共五层,强度较大,尤其是第4层、第5层。大量实践表明,大采高综采工作面覆岩层变形特点、运移规律以及破坏特征与薄及中厚煤层全部垮落法长壁工作面基本相似,冒落带发育高度与机采高度有密切联系,成正相关关系。由其力学参数可知:煤层上方直接顶比较薄,老顶则为中厚层状的砂岩,当采高增加时,垮落的直接顶岩石往往不能填满采空区,导致坚硬顶板空区面积较大,阻止“砌体梁”的形成,当破断时容易对下方工作面形成冲击载荷,引起煤层内积聚大量的应力,容易引起应力集中,从而造成强烈的周期来压。通过对岩层的力学和厚度进行计算,可得到上覆岩层的关键层位置,其中关键层为第2和12层,第2层为亚关键层,同时也是煤层的老顶岩层,第12层因强度和厚度均较大,在计算过程中将其定为主关键层。正常回采过程中,第1层(直接顶,砂质泥岩)、第2层(老顶,粒砂岩)对回采有直接影响。掌握顶板的基本力学参数,是对其进行相应的技术措施的关键。

1.2 大采高工作面矿压显现规律研究

1.2.1直接顶的初次垮落

直接顶的坡段是在煤层开挖后首先显现的顶板活动现象,标志是:当直接顶有1 m～1.5 m的岩层发生垮落时,同时超过整个工作面的一半范围的顶板发生大面积垮落,这与岩层的本身性质有直接关系,主要受强度、厚度、弱面发育程度等影响。根据现有研究结果,目前计算方式以固支梁垮落极限抗拉模式进行分析,计算方法如下:

(1)

式中：R为直接顶的抗拉强度，MPa;h为直接顶厚度，m;q为直接顶承受的载荷，MPa。

q取直接顶自身的重量,为:q=γh=2.548E3×9.8×2.94=73.41 kPa,R取直接顶的抗拉强度3.13 MPa,带入上式,Llt=27.15 m。也就是说工作面回采过程中直接顶能够实现自稳的垮落距离大约为27.15 m,同时,根据实际情况,考虑到地质构造以及支架支撑效果等因素的影响,上述计算数值还要乘以20%的变化量,可得直接顶垮落范围在22 m～33 m之间。

1.2.2大采高工作面回采过程中老顶周期来压计算

老顶来压步距对回采工作面的安全生产有重要影响,影响着来压预测、岩层移动规律的掌握、顶板的控制等。本文从梁式断裂和板断裂力学两种模型对大采高工作面老顶周期来压进行计算。

1)梁式断裂极限跨距。根据梁的力学相关知识:当σmax=Rt,正应力达到材料的抗拉强度极限,材料失稳破断,其极限跨距公式为:

(2)

式中:q为直接顶承受的载荷,kPa;Rt为老顶岩层的抗拉强度,MPa;h为老顶厚度;m。

根据岩层的力学性质及式(2)得到老顶初次来压步距为39 m左右。

2)板断裂极限跨距。根据弹性力学理论相关知识,将顶板看做为平面问题,计算得到工作面顶板断裂步距公式为:

(3)

式中：q为直接顶承受的载荷，kPa;μ，λ均为系数常量，h为顶板厚度，m;σs为应力强度，MPa。

根据经验,当σs取5.7 MPa、q取952.57 MPa、泊松比取0.2,采空区几何形状可得到老顶断裂步距为40.3 m。

综上可知,两种方法计算得到老顶初次来压步距均为40 m左右,利用20%的偏差原理,可计算得到老顶来压步距在32 m～48 m之间。

2 顶板预裂技术及现场检测

2.1 大采高顶板预裂技术研究

顶板预裂技术的目的就是为了改变坚硬顶板的物理力学性质,使其节理、裂隙在人为因素的控制下发生改变,使得顶板悬露部分的面积得以减小,顶板来压得到有效控制。

2.1.1注水弱化坚硬顶板

1)顶板高压注水。目前,该技术主要在波兰、澳大利亚等国发展较快,其研究尚处于试验阶段。其原理为:首先对坚硬顶板进行高压水压裂处理,目的是使岩层内的原始裂隙增加和扩展,在水力的、机械的、物理和化学的作用下,加上高压水在岩体中会形成压力坡降的作用下,高压水顺着岩层的裂隙、节理、层理及其他弱面发生渗流,改变坚硬岩层的本身性质,主要是力学特性发生改变,引起注水岩层内应力重新分布,同时岩层在水的作用下发生塑化作用。

2)顶板静压注水。顶板静压注水从改变顶板岩层的含水率方向出发,注水后弱化坚硬顶板强度,达到减小来压步距、避免顶板来压过于强烈发生冲击危险等目的。首先要掌握研究岩层的吸水特性,较强的吸水性会在注水后大大降低岩层的强度,弱化程度明显才可使用本方法,否则不能应用。

根据对岩层的力学特点可知,研究矿井的致密砂岩可采用静压注水的方式进行处理,但是,由于高压注水压裂与注水软化存在周期较长等弱点,大大影响实际工作面的生产效率,一般不宜选择。

2.1.2爆破弱化坚硬顶板

爆破弱化是用爆破的方法对坚硬顶板产生震动作用,从而引起原生裂纹的扩展、诱发新的裂隙产生,使冒落的顶板形成矸石垫层。目前爆破弱化的方法有以下几种:

1)循环式浅孔放顶:冒落的顶板跨落后在采空区成为矸石垫层,破坏顶板的完整性,使原可能因冒落而产生的冲击得到缓和。2)步距式深孔爆破:将完整的顶板切断,从而避免了顶板大面积的冒落。3)超前深孔预裂爆破:主要针对坚硬顶板,爆破后岩层的完整性被破坏,冒落面积得到有效控制。4)地面深孔放顶:以地面实施爆破为主,爆破地点位于采空区后方,将顶板切断,控制冒落面积,降低发生冲击的可能。

3 大采高顶板预裂技术实施

根据上述分析可知,本文所研究对象适合爆破弱化技术处理大采高坚硬顶板,对其进行超前预裂,达到安全生产的目的。

3.1 钻孔布置及爆破要求

布置钻孔时,需要保证以下要求:一是开眼位时,控制钻杆转速,应以缓为主,调小气腿推力。当钻进30 mm左右时,转速和推理可逐渐调大,进入正常孔作业。二是达到所要的目标深度后,将水量逐步调小,同时关闭气腿进气,另外钻杆的转速逐渐减慢。三是套钎钻孔时,短钻杆所用的钻头直径与长钻杆的钻头直径要有一定的差别,短杆的直径要稍大。

施工时的起爆器型号为BF-200,并要求分组装药、分次爆破。严格采用“局部并联,总体串联”的接连方式。分五次完成爆破,起爆方向为从切眼为起爆点,依次向向皮顺、轨顺方向进行。本次试验共进行5 d,爆破中炮眼全部爆破成功,遵照安全措施逐步爆破,未发生危险状况。

3.2 效果检查

3.2.1顶板垮落情况分析

爆破期间当顶板没有垮落,这与顶板的砂岩岩性有关,也与爆破的性质是预裂爆破有关。顶板预裂处理结束后,进行回采并进行实际观测研究:当工作面机头推进7.8 m时,工作面后方直接顶局部发生冒落(最大1.5 m);当推进13.5 m时,工作面后方直接顶冒落范围进一步加大;工作面机头推进23.6 m时;工作面后方直接顶全部冒落,证明浅孔爆破已经发挥作用经现场实测得出工作面上部初次来压步距为30.4 m～32.2 m。

3.2.2炮孔爆破效果分析

1)钻孔爆破效果分析。工作面放炮以后,对顶板进行窥视研究,分析观测放炮前后顶板变化情况,具体如下:3.91 m～4.42 m、4.97 m、6.40 m～6.61 m、9.51 m～9.64 m等处节理裂隙发育,其中在12.07 m～13.91 m范围内的孔壁表面变形严重,局部有碎片现象。

2)钻孔爆破前后比较。为进一步说明爆破对工作面顶板的影响效果,以运其中一孔为对比孔,通过分析对比孔爆破前后顶板的变化,说明整个工作面顶板的变化情况:a.其中1.68 m～2.70 m范围,岩性以黑灰色炭质泥岩为主,整体性较差,且位于1.72 m～1.81 m范围内的孔壁有裂隙;b.3.20 m～4.51 m范围,主要为直接顶,岩性以砂质泥岩为主(厚约1.81 m),孔壁整体性差且有明显裂纹;c.4.51 m～16.91 m范围,以灰白色细粒砂岩为主,为老顶部分,破碎严重。

对比爆破前后窥视结果,形成试验前后柱状对比图,见图1。

图1 爆破前后对比图Fig.1 Comparison before and after blasting

4 结论

在分析了大采高工作面顶板岩石力学特性后对其矿压规律进行计算,分析了大采高顶板预裂技术的,并制定以爆破预裂技术相关参数。对爆破前后顶板垮落及炮孔完整性进行观测,检测预裂技术效果,结果表明该技术可对大采高坚硬顶板条件下进行预裂处理。

[1] 郭保华,涂敏.浅谈我国大采高综采技术[J].中国矿业,2003,12(10):40-42.

GUO Baohua,TU Min.Present Condition of High Mining Techniques in Height Longwall CHINA[J].China Mining，2003,12(10):40-42.

[2] 郑文翔.综放工作面顶板预裂技术研究[J].煤炭工程，2014，46(2):55-57.

ZHENG Wenxiang.Study on Pre-cracking Technology of Mine Roof in Fully Mechanized Top Coal Caving Mining Face[J].Coal Engineering，2014，46(2):55-57.

[3] 赵君成，张卫锋，孙朋.综放工作面顶板预裂技术的研究与应用[J].山东煤炭科技，2015(4):3-4.

ZHAO Juncheng，ZHANG Weifeng，SUN Peng.Research and Application of Roof Pre-splitting Technique in Fully Mechanized Caving Faces[J].Shandong Coal Science and Technology，2015(4):3-4.

[4] 徐家华.综放工作面超深孔顶板预裂爆破实践[J].煤炭科技，2016(3):124-125.

XU Jiahua.Practice of Presplitting Blasting for Super Deep Hole Roof in Fully Mechanized Caving Face [J].Coal Science & Technology Magazine，2016(3):124-125.

[5] 岳彪，严国超.小孔径深浅孔爆破在大采高顶板预裂中的应用[J].煤矿安全，2015，46(7):163-165.

YUE Biao，YAN Guochao.Application of Small-bore Long-short Mining YIIF Rian Hole Blasting in Roof Pre-splitting of Large Height Face[J].Safety in Coal Mines，2015，46(7):163-165.

[6] 章才光.晋华宫矿大采高工作面邻空、动压巷道控制技术[J].山西煤炭，2014(9):51-53.

ZHANG Caiguang.Control Technology of Gob-side Entries and Dynamic Pressure Roadways of Large-mining-height Worling Face in Jinhuagong Mine[J].Shanxi Coal，2014(9):51-53.

RoofPre-splittingTechnologyofLarge-mining-heightWorkingFace

KANGYang

(GaoheEnergyCo.,Ltd.,Changzhi046000,China)

According to the features of large-mining-height working face, mechanical characteristics of rock, and the theory of mining pressure, the paper proposes a roof pre-splitting technology to reduce roof strength and control weighting interval. The study could provide theoretical foundation and technical experience for the large-mining-height mining technology, which is important to increase technical standards and achieve sustainable growth of coal production.

large-mining-height; roof pre-splitting; blasting; detection

1672-5050(2017)01-0006-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.002

2016-11-18

康阳(1981-),男,四川巴中人,大学本科,工程师,从事煤矿安全生产管理工作。

TD823

A

(编辑:武晓平)