对于坚硬顶板强制放顶技术的探讨

焦 昊

(山西铺龙湾煤业有限公司，山西 大同037104)

0 引言

随着煤炭开采量越来越大，煤炭赋存资源日益减少，人们逐步将视线转移至中厚煤层赋存的煤矿中，针对不同的地质条件，对采煤技术的要求也越来越高。对于坚硬顶板地质条件，配合综采一次采全高采煤方法，回采速度较快，矿山压力不明显，采空区顶板不能及时冒落，可能造成大面积悬顶的情况，增加了支架的载荷强度。当悬顶面积足够大，支架无法承受顶板高压或顶板悬臂梁无法承受上部压力，突然断裂，就会产生的较大的冲击波，会对工作面内的支架、风门、密闭及人员的安全造成巨大的危害。所以，加强对坚硬顶板强制放顶技术的分析和探讨是非常有必要的。

1 坚硬顶板大面积来压发生原因和防治原则

坚硬顶板大面积来压的发生有以下几点原因:一是因为煤层上第一层顶板为砂岩老顶。这种岩层硬度高，胶结程度也很高，它的密度大，非常坚硬、冒落性较差;二是因为工作面倾角大而且煤层相对较薄，一些小部分的伪顶和煤矸石自动滑落至工作面下面，把采空区填补起来了，所以采空区顶板不易垮落。由于工作面继续深入，采空区(包括上一片采空区)顶板悬露跨度也在不断扩大，悬臂较长的厚顶板岩体被工作面的液压支架支撑着。当达到最大跨度的时候，岩体就会发生变形或者蠕变，液压支架的支柱载荷就会快速增加，如果超过了支柱的额定工作阻力，那么安全阀自动打开进行排液，立柱快速下缩，引起工作面以及煤壁硬帮顶板大幅下沉，工作面煤壁由于受剪切破坏，会形成片帮。因为顶板坚硬，而且煤层比较薄，顶板几次的大面积发生来压时，都没有对采空区顶板造成断裂和垮落，导致顶板出现了多次变形及蠕变，使煤壁出现多次大片帮。所以，为了防治顶板大面积来压，要遵循的基本原则有:使工作面坚硬顶板的整体性下降，增加弱面并使其抗拉强度及抗剪强度降低，削减采空区悬顶面积，减小顶板对工作面支柱的压力。它的主要方式是对顶板进行中深孔卸压爆破，用人工把顶板切断，破坏其关键层结构，增大顶板裂隙程度，改变采动应力场的分布特点，通过这些措施来释放应力并有效卸压，降低顶板来压强度;减小采空区和邻采区之间的顶板连续性，从而有效降低老顶岩石的强度，让难垮落顶板转变成为可垮落顶板，促进采空区顶板工作面的强制放顶顺利进行。

2 深孔爆破基本原理

顶板深孔爆破是一种坚硬顶板碎化和弱化的技术，它的本质是先在坚硬顶板内打孔，然后装药精心爆破，利用爆破来弱化顶板，从而增强顶板的冒落性，以免进行回采的时候出现大面 积悬顶。深孔松动爆破，就是当炸药在炮孔中爆炸之后，半无限介质中内会形成强冲击波与大量高温高压气体，形成爆炸。因为爆炸压力要比介质的抗压强度大得多，所以在炮孔四周一定范围之内介质遭到猛烈的压缩、粉碎，最后成为压缩粉碎区。在这个区内有很大的一部分爆破能量用在了对介质的破碎上，由于力度过大，冲击波透射到介质里面，通过应力波的形式传送到岩石内部。受应力波的作用，质点进行径向位移，处于压缩区边缘的介质中进行径向压缩与切向拉伸。如果切向拉伸应力大于介质的动抗拉强度，那么就会形成径向裂隙，然后跟着应力波的传播进一步扩展。如果应力波小于介质抗拉强度的时候，那么裂 隙就会停止扩展。当应力波向前传播的时候，爆生气体也会随着迅速膨胀，进入因为应力波形成的的径向裂隙内;气体具有尖劈作用，所以裂隙会继续延伸。裂隙的不断延伸，爆生气体膨胀，气体压力迅速下降;当压力下降至一定程度，储存在介质里面的弹性能就被释放出来，产生卸载波，然后向炮孔中心进行传播，导致介质里面形成环向裂隙(一般情况下环向裂隙很少)。径向裂隙与环向裂隙交叉形成裂隙区。如果应力波进一步向前传播，减弱到不能够破坏介质，只能让介质质点产生振动，用地震波的形式进行传播，直到消失。应力波之后，爆生气体出现准静态应力场，然后进入空腔壁上张开的裂缝当中，在裂隙最前端集中应力，导致裂隙进一步延伸。裂隙延伸过程当中，爆生气体最先进入宽度大、弯度小、对气体进入阻力小的宽裂隙当中，再次进入和它连通的小裂隙中，当他的压力下降到不能够让裂隙继续延伸时才会停止。爆生气体在岩体内部形成的准静态应力，与距炮孔中心距离成反比，越远越弱，越近越强。所以在岩体内形成爆生气体应力梯度。有爆生气体压力驱动的情况下，裂隙会一直朝着压力低的方向延伸，就是朝着距炮孔远的方向延伸。

3 煤矿矿开采现状

我矿现开采的1203 工作面，走向长度974.34 m，倾斜长度151 m，开采煤层厚度2.12～2.58 m，平均煤厚2.35 m，煤层倾角1°～4°。煤层上部直接顶为黑色、光滑、性脆的砂质泥岩和炭质泥岩，厚度0～2.97 m，基本顶为灰白色、硅质胶结，坚硬的粗、中细砂粒岩厚度18.3 m。煤岩层结构、岩石力学性质见图1。

图1 煤岩层结构、岩石力学性质

由于开采煤层较薄，采动影响较小，加上顶板稳定的因素，在上一个工作面开采期间，部分区域出现10 多米悬顶距的现象，对支架设备的损伤和人员的安全都造成了很大的威胁。经过一个工作面的观察、收集数据、数据验证，确定我矿来压步距为20 -25 m 左右。所以在1203 工作面开采期间，回采20 m，进行一次深孔打眼，强制放顶进行泄压，以保证工作面采空区顶板紧跟支架，防止大面积来压所造成的危害发生。

4 结语

坚硬顶板强制放顶技术在煤矿的采煤工作中具有很大的作用，也有很大的优点，但是要结合煤矿和地质的实际情况灵活运用，从而使该技术的优点发挥到最大限度，进而提高采煤效率，减少资源浪费，提高经济效益。我矿会结合实际情况继续加强对坚硬顶板强制放顶技术的研究，深刻分析该技术中存在的缺点以及可能会出现的问题，制定解决办法和应急措施，促进煤矿事业的发展。

［1］ 曹永模.顾北矿坚硬顶板条件下采场矿压特征及围岩控制研究［D］. 安徽理工大学，2013.

［2］ 李术才，王德超，王琦，等.深部厚顶煤巷道大型地质力学模型试验系统研制与应用［J］. 煤炭学报. 2013(9).

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