厚硬顶板工作面切顶卸压研究与应用

王金晶

摘 要：为了解决九里山煤矿14141工作面基本顶来压强度大的难题，综合考虑工作面顶板岩层覆存情况、顶板岩石物理特性，决定对其顶板进行深孔爆破切顶卸压工作。根据地质情况，通过理论分析计算，得出了钻孔布置、孔间距、钻孔深度、装药量、封孔长度等参数，并结合现场实际对多个参数进行修正。应用实践表明：方案实施后采场矿压显现不明显，基本顶初次来压步距较小，来压强度低，没有出现大面积的冒顶、片帮，保证了工作面的安全生产。

关键词：切顶卸压;深孔爆破;矿压;钻孔;工作面

中图分类号：TD235.4文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）07-0073-03

Abstract： In order to solve the problem of high strength of pressure coming from the basic roof of 14141 working face in Jiulishan coal mine， it was decided to carry out deep hole blasting to cut the roof and relieve the pressure in consideration of the overburden of the roof rock layer and the physical characteristics of the roof rock. According to the geological conditions， through the theoretical analysis and calculation， it was concluded that the drill hole arrangement， hole spacing， hole depth， controll and hole sealing parameters such as length， and connecting with the actual revised on multiple parameters. Schemes implemented in the practical application showed that the stope underground pressure was not obvious， the basic first step to pressure from the small， to compressive strength was low， no large area roof caving， help， to ensure the safety production of working face.

Keywords： roof cutting and pressure released;deep hole blasting;rock pressure;drill;working face

礦山压力显现规律及其控制方法的研究，是正确进行采矿设计、合理选择支护形式及支架类型、加强顶板管理、保证安全生产的重要一环[1]。回采工作面煤壁上所承受的支承压力会随着老顶跨度的加大而增加[2]。特别是遇到厚度大、整体性好、强度高、自承能力强的厚硬顶板时，顶板不能随采随冒，容易造成采面跨冒事故，还可能引起冲击地压。冲击地压是矿山开采中发生的煤岩动力现象，是威胁煤矿安全生产的严重灾害之一，可能会引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，严重时造成地面震动和建筑物破坏等[2]。目前，国内外主要有以下几种坚硬顶板弱化技术：注水弱化坚硬顶板;注入静态破碎剂弱化坚硬顶板;爆破弱化坚硬顶板。因此，在九里山矿的14141工作面实施顶板弱化强制放顶卸压工程，以达到减弱顶板初次来压步距和初次来压强度的目的，从而保证工作面安全顺利开采。

1 工作面概况

14141工作面所采二1煤层多以粒状及块状为主，倾角为6°～12°，平均倾角为9.5°。其上部0.7 m为粉粒煤，呈末状，光泽暗淡;下部为半亮型中硬煤，呈片状、块状，金属光泽，煤层结构简单。基本顶：主要是砂岩，厚度为9.9 m;直接顶：粉砂岩，厚度为2.9 m;伪顶：炭质泥岩，厚度为0.2 m。

2 采面切眼顶板预裂割缝爆破

2.1 爆破孔参数及布置方式

工作面上安全口沿倾向向下开始布置爆破孔，共布置2列，分别布置在14141工作面切眼两帮位置，距两帮均1 m（可根据现场支护情况微调）。

2.1.1 钻孔长度。影响爆破孔孔深的因素主要为：切眼煤层顶板中坚硬岩层的厚度;切顶钻机驱动马达的旋转扭矩力;矿用炸药的装填方式和承载结构。在这三个因素中，切眼煤层顶板中坚硬岩层的厚度应作为主要影响因素进行考虑，使坚硬岩层的岩体都在深孔爆破作用范围内[3]。按以往的经验公式推定，有效切顶深度[H]应该为：

2.1.2 钻孔直径。首先，钻机的能力会影响钻孔直径的大小，只有钻机动力头的扭矩较大，才能搭配较大的钻头，并且产生较高的钻速。其次，巷道顶板岩体条件也会影响钻孔的大小。如果顶板岩性较差，岩石比较破碎，在钻进过程中则容易出现变形和塌孔的孔内事故，虽然对钻机钻头的危害较小，但增加了后期下管装药的难度，容易形成废孔或者危孔。最后，封孔工艺的可靠度和成熟度会直接影响钻孔直径的可扩展范围。随着孔径的增大，封孔料的横截面也随之增大，这时封孔料的密度、强度就会相对降低，而爆炸产生的气体作用在封孔料上的总压力则相应增大，因此很容易造成串炮现象的发生。

根据以往工程经验，不耦合系数[K]的合理范围为1.30<[K]<1.80。14141工作面巷爆破预裂钻孔直径[d]=50 mm，矿用三级乳化炸药直径Φ=32 mm，因此不耦合系数为：

2.1.3 孔间距。在进行顶板岩性及裂隙发育情况调研的基础上，结合之前确定的孔径大小可以基本确定孔间距，但是，孔间距并不是随着孔径的增大而线性增加的。孔间距应该与孔径在一个合理的范围内，这样才能在尽量减少施工工程量的前提下取得良好的爆破效果。过小的孔间距会使钻孔工程量增大，钻爆成本增加，所以，在保证良好的爆破效果的前提下，应尽量地增大孔间距。

2.2 装药方式

14141工作面切眼老顶厚度为7.48 m，依据封孔长度约为孔深的1/3的原则，将装药总长度暂定为4.6 m，封孔长度为3 m。为便于装药，利用Φ40 mm抽放管做药卷载体将炸药送入炮眼。

装药结构如图1所示。

2.3 深孔爆破效果探测

为了验证爆破后炮孔附近岩体中裂隙发育程度和爆破效果，爆破前在爆破孔附近施工一个平行钻孔，利用YTJ20型岩层探测记录仪对爆破前后钻孔进行拍照对比。爆破前后钻孔孔壁不同位置处的裂纹发育程度如圖2所示。

由图2可知，爆破后孔壁上的裂纹显著增多，出现了明显的纵向裂纹，说明爆破管起到了定向作用，部分区段观测到纵向和环向裂纹交织，部分位置出现塌孔现象，岩石松动破碎，整体性大大降低。

3 工作面切眼矿压规律

3.1 直接顶初次垮落

经过近50 d的工作面矿压观测，14141工作面从开采一共推进了110 m。由于在开采之前对切眼内进行了顶板预裂爆破，因此，在推进过程中，工作面采空区内直接顶随着推进逐渐垮落，垮落岩层基本充填满采空区冒落空间，工作面压力较小，煤壁片帮现象不明显，直接顶垮落期间工作面矿山压力显现比较缓和。

3.2 基本顶初次来压

当工作面推进到19～27 m时，工作面支架阻力开始增加，并在不同区段产生了不同的增加幅度。此时，顶底板移近速度出现峰值，活柱下缩量也达到最大，这主要是基本顶断裂下沉所造成的。巷道监测表明，超前支护压力和巷道变形在这此时也有变化，这是工作面来压前的预兆。在进一步分析支架阻力及巷道移近变形的基础上，得出的老顶初次来压步距为22.2 m左右。

基本顶初次来压的判别准则为：

14141工作面实测各支架初次来压期间工作阻力随工作面推进距离变化，对其中40#、41#支架工作阻力进行说明，如图3和图4所示。

从以上数据可以看出，14141工作面初次来压步距为19～27 m，平均为22.2 m，其中采面中、上部分来压步距较短。经过分析比较，发现该地段存在一个小断层，使顶板岩层较为破碎。工作面平均工作阻力在来压期间为3 718 kN，为支架额定工作阻力（6 800 kN）的54.7%。来压期间最大工作阻力为7 987.4 kN，为额定工作阻力（6 800 kN）的117.5%。来压期间平均循环末阻力为4 525.1 kN，为支架额定工作阻力（6 800 kN）的66.54%。通过更详细的分析可知，该工作面支架的整体初撑力偏低，应适当调整液压泵站压力，增加初撑力水平。

在现场情况方面，基本顶初次来压期间，顶板岩层发生冒落，工作面煤壁片帮较为明显，特别是工作面中间段，片帮长度总和约为30 m，一般深度在0.5～1.0 m，并且基本都在煤壁上半部分。采空区顶板冒落在机头和机尾存在明显区别，机尾基本垮落，机头出现2～5 m的悬顶。

4 结论

①实施切顶卸压放顶技术，有效减小了采面初次来压步距，减弱了初次来压强度，效果显著。14141工作面开切眼实施深孔预裂爆破后，开切眼顶板产生大量裂隙，实现了顶板预裂的目的，有效地降低了工作面老顶初次来压和周期来压的强度，降低了工作面人员的危险系数，避免了设备、设施的破坏。

②通过分析厚硬顶板条件下综采工作面切顶卸压采面覆岩运动规律，探讨了覆岩分层垮落、采面动压和巷道变形之间的关系，得出了切顶卸压后工作面来压规律和顺槽围岩长期变形机理。

③形成了一套完整的坚硬顶板下切顶卸压技术体系，为焦作矿区同类条件下该类工程的施工提供了可靠的参考。

参考文献：

[1]耿献文，马全礼，刘桂仁，等.矿山压力测控技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2002.

[2]钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.

[3]袁河津，常荣俊，姚绍强.《煤矿安全规程》专家解读[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.