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摘要：为实现岳南煤业厚硬顶板下15#综采工作面的安全高效生产，以2152G01回采工作面为背景，采用实验室测试、理论计算、矿压监测等方法，进行顶板弱化技术的分析研究及应用，研究表明，工作面基本顶属于Ⅳa级，顶板来压将非常强烈，设计顶板弱化周期步距为30 m，采用深孔爆破技术进行预裂，预裂后液压支架工作阻力明显减小，工作面来压强度降低，顶板弱化效果较好。
关键词：坚硬岩层；深孔爆破；来压当量
1工工程概况
山西泽州天泰岳南煤业2152G01回采工作面(简称2G01工作面)地面北部位于狼山及其南侧，南部位于杨庄村以东并有多部分处于杨庄村耕地范围内，工作面北部地面以荒地、沟谷为主，南部地面以耕地、虚土为主，工作面范围均有第四系地层覆盖，地势由南向北递增。该工作面位于+690m水平集中轨道大巷南侧，与轨道大巷90°垂直布置，工作面西侧为矿界保安煤柱(之间有20m的距离)东部为设计接苦的2152G02回采工作面(尚未开始布置)南侧为实体煤岩，工作面沿走向回采掘进，埋深389~218m，2G01工作面2.8~3.8m之间，平均3.4m，工作面胶带顺警长1230m，轨道顺槽长1205m；工作面切眼长120m，煤层平均厚度3.2m，确定该面跟顶、底板回采，设计采高为3.2m，本工作面布置有两条顺层实体煤巷道，分别为2152G01胶带顺槽、2152G01轨道顺槽，两条顺槽菩道平行布置。
2综采工作面厚层坚硬顶板问题分析
2.1百板分类分析
岳南煤业2G01综采工作面直接顶为泥岩，厚度较小，主要顶板为灰岩基本顶，该岩层厚度较大且坚硬，分层不明显，整体性较好。对于厚层坚硬顶板控制问题进行研究时，首先进行岩层力学特性的研究，通过在岳南煤业现场采集顶板岩石，进行岩石力学性能测试得到的详细结构如表1所示，基本顶灰岩的抗压强度、抗剪强度均明显高于泥岩、铝土泥岩等岩层，对于厚层坚硬顶板的研究，不仅可以进行物理力学参数的测定，还需对顶板岩层的运动特性有清晰的认识，在我国普遍认同当顶板岩层肩于IⅣ级时可认定为坚硬难垮顶板，根据基本顶的来压当量来进行顶板分级，来压当量p，计算公式见式(1)：
p=241.3InL-15.5N+52.6hm.(1)
式中：L为基本顶初次来压步距，参照邻近矿井同煤层回采面取55m；hn为工作面采高，取3.2m；N为直接顶充填系数，直接顶平均厚度取0.4m，碎胀系数取1.3，充填系数为0.16。由式(1)计算可得，基本顶来压当量p.=1132.8，根据基本顶分级指标可知，岳南煤业1075<p.<1145，工作面基本顶后于IVa级，顶板来压将非常强烈，该类顶板此案空区往往是大面积整体垮落，威胁作业人员及装备安全，
2.2基本顶周期弱化步距分析
对坚硬顶板采取弱化措施后，上覆岩层载荷会直接作用在坚硬厚层破断块体上，与工作面共同形成厚层顶板破断块体-煤体-支架”支护系统”，如图1-1所示.
图1-1中p为综采面液压支架支护强度，1为基本顶预裂步距，1为预裂步距内下方应力增高区宽度范围，上：为预裂步距内下方煤壁极眼平衡区宽度范围，l：为工作面液压支架长度范围，通过受力分析得到液压支架强度的计算公式见式(2)：
式中：y为顶板岩层体积质量；h为顶板岩层厚度，i为岩层编号；y为顶板岩层体积质量均值；k：为支承压力系数，为探讨应力增高区不同宽度时支架强度与厚层基本顶预裂步距的关系，采用控制变量法假设应力增高区宽度分别为0、5、10、15m，四种条件下支架强度随基本顶断裂步距的变化曲线如图1-2所示，可以看出，当基本顶预裂步距在10以下时，支架会随着预裂步距的变化而大幅度波动，说明此时顶板处于不稳定状态；当基本顶预裂步距在10m以上时，支架强度随着步距的增大而增大，岳南煤业所用支架支护强度为0.79MPa，此时基本顶预裂步距为15~30m，考虑到经济、施工效率等因素，确定顶板周期预裂循环步距为30m。
3顶板弱化方案设计
3.1顶板弱化技术分析
现阶段对于厚层坚硬难垮顶板，国内通常采取改变顶板岩层垮落性能的措施，促使坚硬岩层内增加弱面，使得顶板悬露面积、较短时间内垮落，经过长期的生产实践积累，常用的处理方法有以下几种：高压预注水弱化、采空区爆破强制放顶、超前工作面预裂爆破弱化顶板、地面钻孔爆破预裂弱化顶板、高阻力液压支架切顶。对于岳南煤业15#煤层，灰岩基本顶成岩固结好，泥化系数仅为0.39左右，注水后不易软化，因此不宜采用高压水预裂方式；根据2G01工作面附近钻孔柱状图，工作面埋深在312~237 m之间，从地面打孔工程量大，且钻孔需经过地面表土层，效率低，因此不适用地面钻孔爆破弱化顶板工艺。近些年来深孔爆破技术快速发展，该技术普遍用于顶板预裂等方面，具有可靠性高、技术成熟、施工效率高等优点，因此确定再2G01工作面采用该技术进行顶板弱化。
3.2工作面切眼深孔爆破
为减小2G01工作面基本顶初次来压步距，首先在开切眼内进行顶板爆破预裂施工，爆破孔孔口距切眼老塘帮1 m，共设计8组22个预裂爆破孔，灰岩基本顶平均厚度为8.0 m，设计钻孔的孔底均在顶板之上8 m，考虑到工作面中部区域顶板垮落更为困难，设计中部区域的C、c组钻孔孔底在顶板之上10 m，钻孔详细参数及位置如图2及表1所示。在工作面推进4个截深后，进行装药、连线、爆破，装药时采用炮棍将炸药药卷直接送入爆破孔内，每个爆破孔采用两个导爆索进行起爆，采用不耦合方式装药方式，采用BF-200型瞬发电雷管起爆，采用“局部并联，总体串联”的联线方式。
3.3两侧顺槽内顶板预裂爆破
为了缩短基本顶周期垮落步距，设计在两巷内布置超前工作面预裂顶板钻孔，在两巷工作面煤壁侧施工钻场硐室，硐室4.0 m宽、3.5 m深，硐室沿工作面两侧对称布置，首个钻场硐室距工作面开切眼15 m，后续钻场硐室间距30 m，每个硐室内布置8个预裂钻孔，分别编号为A—H，钻孔参数详情及布置详情如图3及表2所示。爆破顺序为A、B→C、D→E、G→H→F。
4工作面矿压监测与分析
岳南煤业2G01综采工作面共设计钻孔784个，自工作面回采以来，共计进行了10次顶板预裂爆破，工作面选用ZY5200/11/24型自移式液压支架，监测得到支架工作阻力随时间的变化规律如图4所示，可以看出，顶板预裂爆破后，支架的工作阻力明显降低，周期来压期间液压支架工作阻力趋于缓和。根据现场调研掌握的情况表明，自顶板进行爆破预裂后，采空区顶板随着支架前移而冒落，基本顶周期来压步距为14~24 m，机尾三角点冒落充分，总体而言，通过超前深孔爆破弱化顶板技术有效减弱了顶板的来压强度。
5结语
通过对岳南煤业2G01综采工作面顶板岩层现场取样及工程力学测试，掌握顶板岩层物理力学参数，通过理论计算得到基本顶来压当量Pe=1 132.8，基本顶属于Ⅳa岩层，顶板来压将非常强烈，通过建立“厚层顶板破断块体-煤体-支架”支护系统模型，分析表明顶板弱化合理步距为30 m。结合工作面具体条件确定采用爆破预裂顶板弱化技术，设计具体的钻孔布置及爆破施工方案，应用期间矿压监测表明，爆破预裂后支架载荷明显降低，周期来压期间支架载荷趋于缓和，顶板弱化效果较好，保障了工作面的安全高效生产。回收率，减少混矸现象，从而提高煤质和产量；开采效率将是现阶段的1.8~2.4倍。
参考文献
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岳南煤业厚层坚硬顶板弱化方案设计及应用研究论文
人参与 2024-11-28 10:57:29 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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