首采工作面坚硬顶板预裂技术研究与实践

马海胜

(山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048214)

1 工程概况

1301工作面为玉溪煤矿首采工作面，根据玉溪煤矿1301工作面辅助运输巷道顶板岩层结构钻孔窥视结果可知，3号煤层顶板从下至上依次为平均厚度2.4 m的泥岩(直接顶)、5.3 m的中砂岩(老顶)、7.4 m的泥岩，强度均大于60 MPa(见表1)，属于坚硬不易垮断岩层。初采前可能发生顶板不易垮落的现象。因此提前实施顶板预裂，对改善工作面通风条件、防止初采期间顶板大面积垮落时工作面瓦斯超限及减弱对支架的冲击破坏性都有重要的现实意义。

表1 3号煤层及顶板岩石力学参数

2 预裂爆破设计

根据地质资料及顶板岩层钻孔窥视结果，3号煤层老顶岩层为主要弱化处理对象，选用深孔预裂爆破方法对其进行弱化处理[2]。

2.1 炮孔布置

结合地质资料，在开切眼内布置预裂孔20个，从回风巷1向胶带运输巷方向分别用编号1～20表示，每4个钻孔为一组，其中3个装药，1个为备用孔。施工炮眼总长440 m；装药总长度217.5 m，炸药用量650 kg；封泥长度112.5 m。第1～2组为第一茬，3～5组为第二茬，分两次装药与爆破，见图1。

图1 炮眼布置示意(m)

2.2 主要设计参数

顶板处理最大垂直高度11 m；孔径75 mm；炸药密度1 194.265 kg/m3；炸药爆速2 800 m/s；封泥长度7.5 m；破碎区半径平均为0.6 m；裂隙区半径平均为3.1 m；孔距为每组内5.0 m；炮孔角度(水平仰角)为30±2°。

2.3 预裂爆破材料

爆破所用设备及材料见表2。

表2 爆破所用设备及材料

3 老顶断裂极限跨距分析

3.1 老顶所承受的覆岩载荷

(1)

式中：n为老顶之上岩石层数；hi为各岩层的厚度，i=1，2，…，n；γi为各岩层的体积力；Ei为各岩层的弹性模量[1]。

结合地质资料及《山西兰花科创玉溪煤矿3号煤1301工作面围岩力学参数测试》结果进行老顶载荷计算，见表3。

表3 1301工作面顶板岩层主要力学参数

将表3所示岩层力学参数代入式(1)可以得到3号煤层覆岩中老顶自身载荷：

q1=γ1h1=164.3 kPa

考虑老顶上层7.4 m泥岩对老顶的作用：

同理，考虑第3～5层老顶的作用分别为:

=184.2 kPa

=156.2 kPa

根据计算：(q5)1<(q4)1，第1层中砂岩老顶控制着其上方共14 m岩层，载荷为184.2 kPa，简记为q=184.2 kPa。

根据原岩预裂后再次平衡，预裂后受力分析见图2，图3为所受的剪力和弯矩。

图2 预裂后受力分析

图3 剪力及弯矩

分析图2，可得:

R+F=qL

(2)

(3)

右端不受弯矩作用，挠度为0，则可列变形协调方程[1]：

wB=(wB)F+(wB)q=0，即有：

(4)

(5)

当σmax=RT时，岩层将在该处拉裂，因此断裂极限跨距为[2]：

(6)

式中：h为老顶的厚度，m；RT为老顶的抗拉强度极限，MPa；q为老顶承受载荷，kPa；L1T为老顶一端固支一端简支状态下的极限跨距，m[1]。

3.2 综合分析

未预裂老顶极限跨距理论值：

预裂后老顶极限跨距理论值：

理论计算1301工作面未实施爆破预裂老顶初次来压步距为30.75 m，实施后为25.11 m。

4 实际来压情况分析

4.1 顶板垮落

1301工作面切眼宽200 m，支架间距1 750 mm，从机头至机尾共安装液压支架117架，见图4。2020年6月17日开始回采，6月22日(6.4 m)59～69号支架后方轻微落顶，随后随着工作面推进，59～80号支架均出现轻微落顶；6月26日(11.6 m)70～80号支架后方直接顶垮落，随后随着工作面推进，5～113号支架后方直接顶陆续垮落，至7月7日(15.6 m)4号～113号架后基本垮落充实，至此工作面后方除两端头尚未垮落，其余所有支架上方直接顶都及时垮落。1301工作面两侧均为实体煤，回采巷道上方靠近实体煤侧的覆岩没有受到破坏，靠近采空区侧的覆岩仅在本工作面回采扰动及自重作用下悬顶达到一定面积时才会垮落。7月13日(25.2 m)前端头垮落充分，后端头开始垮落；7月15日(26 m)后端头垮落充分，至此老顶基本垮落完全。

4.2 支架压力

1301工作面所有支架上均装有压力表，并有专人负责数据收集，现对2020年6月17日开始回采至8月2日累计回采进度达48.4 m时支架压力进行分析。工作面共117架支架，均匀选取中部5架支架进行动态分析，见图5。2020年6月17日8点班正式开始回采，根据图4可以看出，工作面回采后支架压力随回采进度逐步增大，至7月7日(14.8 m)支架压力增加至约35 MPa，随后支架压力随回采进度在20～30 MPa之间呈现波动状态，至7月13日(25.2 m)支架压力约从35 MPa大幅度下降，至7月20日(32 m)后恢复波状变化。

1301工作面回采过程中在推进至约15 m支架后垮落充实，支架压力出现大幅度下降波动，推进至约25 m前后端头全部垮落完成，老顶全部垮落，支架压力从35 MPa直接下降至约20 MPa。通过对回采初期顶板垮落情况、工作面综采支架工作阻力及理论计算依据综合分析，1301工作面直接顶初次垮落步距约15 m，老顶初次垮落步距约25 m。

图4 1301工作面布置

图5 工作面液压支架压力曲线

5 结 语

玉溪煤矿1301工作面老顶为一层坚硬厚实的中粒砂岩，采用深孔预裂爆破方法对顶板进行了弱化处理，实施后通过对顶板预裂前后老顶断裂极限跨距的理论分析、回采初期顶板垮落情况、工作面综采支架工作阻力的综合分析，判定初次来压步距为25 m，缩短初次来压步距，减小悬顶面积，防止大面积垮落时工作面瓦斯超限，减弱初次来压对支架的冲击破坏性，大大减轻矿井安全管理压力。