1、562023 年第 2 期收稿日期 2022-07-20作者简介 张权（1991），男，山西大同人，2018 年毕业于中国矿业大学电气工程及其自动化专业，本科，助理工程师，现工作于晋能控股煤业集团马脊梁矿，从事井下生产相关工作。厚层坚硬顶板条件下工作面初采爆破切顶卸压技术研究张 权（晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西 大同 037000）摘 要 为了解决工作面初采期间坚硬顶板垮落困难的难题，以马脊梁矿 8208 工作面初采顶板处理研究为工程背景，通过工程类比与数值模拟相结合的方式，在现场实际调研的基础上，提出 8208 工作面初采深孔预裂爆破方案。结果表明：通过优化爆破参数，有效缩短 8208 工
2、作面初次来压步距和来压强度，确保 8208 工作面初采安全。关键词 初采；坚硬；爆破；预裂中图分类号 TD327.2；TD235.33 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.021Study on Roof Cutting and Pressure Relief Technology of the Initial Mining Blasting in the Working Face Under the Condition of Thick Hard RoofZhang Quan(Majiliang Mine of Jinneng Holdi
3、ng Coal Industry Group,Shanxi Datong 037000)Abstract:In order to solve the difficult problem of hard roof caving during the initial mining of the working face,taking the research on roof treatment of the initial mining in the 8208 working face of Majiliang Mine as the engineering background.Through
4、the combination method of engineering analogy and numerical simulation,on the basis of actual on-site investigation,the scheme of deep-hole pre-splitting blasting in the 8208 working face is put forward.The results show that the initial pressure step distance and strength of the 8208 working face ca
5、n be effectively shortened by optimizing blasting parameters,and the safety of the initial mining of the 8208 working face can be ensured.Key words:initial mining;hard;blast;pre-splitting张 权：厚层坚硬顶板条件下工作面初采爆破切顶卸压技术研究张 权：厚层坚硬顶板条件下工作面初采爆破切顶卸压技术研究大同矿区素以巨厚难垮顶板著称，如何有效解决这一难题成为煤矿工作者的艰巨任务。坚硬顶板因其自身强度高、厚度大、完整性
6、好等诸多因素影响，工作面正常推进后，煤层上覆顶板不能及时垮落，形成长距离、大面积悬顶，危及工作面安全。目前，马脊梁矿主采 3 号煤层，煤层平均厚度在 5.8 m 左右，基本顶为 12 m 厚层粗砾砂岩，强度高难以及时垮落。由现场观测数据可知，3 号煤基本顶初次垮落步距超过40 m，对矿井正常生产造成威胁。由于坚硬顶板自身独特的力学性质，预先采用措施降低其完整性，缩减工作面初次来压步距成为有效解决手段。为确保 8208 综放工作面初采工作的顺利进行，初采前在支架后方老塘实施深孔预裂爆破卸压进行强制放顶作业1-7。1 概况8208 工作面切眼北东为实体煤，南东为 8210工作面采空区，北西、南西为
7、实体煤。3#煤层在该区域赋存稳定，根据柱状图显示，煤层平均厚度在5.8 m 左右，倾角平均 2。切眼为矩形断面，尺寸宽 9 m 高 3.6 m，切眼长度为 243 m。切眼沿煤层底板掘进，煤层直接顶为 2.16 m 的高岭岩，基本顶为 12.58 m 的砾粗砂岩，自稳能力强，属于厚层坚硬顶板范畴。2 深孔爆破炮孔布置参数（1）顶板处理高度的确定572023 年第 2 期张 权：厚层坚硬顶板条件下工作面初采爆破切顶卸压技术研究张 权：厚层坚硬顶板条件下工作面初采爆破切顶卸压技术研究强制放顶的根本目的是有效破坏工作面上覆稳定岩层完整性，打破其简支梁结构，促使其提前垮落。因而，炮眼深度必须要求穿过煤
8、层上覆稳定岩层，同时，需要兼顾降低现场工程量。3 号煤层上方岩层依次为 2.2 m 泥岩、1.6 m 的 2 号煤、12.6 m的含砾粗粒砂岩。根据现场调研，结合以往工程实践经验，8208 工作面切眼爆破深度应穿过上方稳定的 12.6 m 厚的砂岩。炮眼的垂深应为四层岩层之和18.6 m。考虑到后期施工与装药便捷，炮孔向 5208巷方向倾斜 75，炮孔孔长 19.5 m。8208 工作面切眼布置示意图如图 1。图 1 切眼炮孔布置图（m）（2）炮孔间距的确定根据岩石爆破损伤范围分析，当岩石裂隙损伤区域相互交圈后才能促使上覆岩层坚硬顶板内产生拉伸和径向裂隙。采用 ABAQUS 有限元软件对爆破时
9、炮孔周围岩石应力变化情况进行模拟分析，为8208 工作面炮孔间距选取提供参考。不同炮孔间距条件下，岩石应力云图如图 2。（a）间距 0.8 m （b）间距 2 m（c）间距 3 m （d）间距 4 m图 2 不同炮孔间距下爆破应力云图由图 2 可知，在现有施工条件下（炮眼直径、孔深、装药量），炮眼间距变化对爆破后炮孔周围岩石应力分布影响较大。炮孔间距在 0.84 m 范围内，岩石裂隙能够相互贯通。然而，炮眼间距偏小，会造成顶板过于破碎，回采时顶板控制难度增大，同时，现场炮眼施工、装药量同步增大。综合多种因素，为保证现场爆破效果，选择炮孔间距 2 m。结合现场条件，切眼预裂孔沿切眼顶板布置一排，
10、钻孔间距 2 m，合计 122 孔，钻孔距切眼后帮煤壁1 m 左右，可根据现场实际情况适当调整。（3）装药量根据前期窥视结果获得的顶板岩性状况，结合以往的深孔爆破经验，钻孔设计装药量 16 kg，后期可根据现场爆破效果及顶板岩性变化实时调整装药量。装药结构如图 3。图 3 装药结构示意图（4）高效封孔工艺目前，炮泥封孔是常用的钻孔封堵方式，现场存在工人劳动强度大、施工效率低下、冲孔率高等诸多问题，制约爆破作业效果。尤其是在进行大孔径深孔爆破作业时，仅填封炮泥环节，耗费 23 h，加上其他作业环节，一个班仅能完成 13 个钻孔爆破。后期，研发人员借鉴通风瓦斯管路“两堵一注”囊袋封孔工艺，提出使用
11、改性水泥基材料替代传统炮泥，凝固时间较普通水泥大幅缩短，浆液凝固后自然形成爆破封孔段，封孔牢靠、强度高。囊袋封孔工艺示意图如图 4。图 4 囊袋快速封孔方法（mm）3 效果考察为了验证爆破效果，采用观察孔注水试验的方法对预裂爆破致裂效果进行考察。从现场试验结果来看，高压水从距离观察孔 4 m 处的孔内流出。试验充分表明，爆破后孔与孔之间已形成贯通裂隙，爆破效果良好。8208 工作面切眼完成爆破施工后，随着工作面的推进，直接顶随采随冒，工作面推进到 12 m 后，基本顶由机尾向机头开始整个垮落，由此确定初次（下转第 60 页）602023 年第 2 期来压步距为 12 m。在基本顶初次来压过程中
12、，工作面煤帮未出现明显片帮现象，完整性较好。工作面支架阻力始终保持在 38004500 kN，平均阻力值在4150 kN，仅为支架额定阻力值的 65%左右。相较于其他未处理工作面，工作面初次来压步距可以缩短近 30 m，充分表明切眼深孔爆破卸压技术可有效缓解顶板来压强度，确保工作面初采始终处在安全可控的状态。4 结论在 8208 工作面初采切眼预裂爆破作业过程中，采用数值模拟与理论分析结合的方式优化炮孔参数，提高爆破效果，缩减8208工作面初次来压步距；采用囊袋快速封孔工艺替代传统炮泥封孔，有效提高现场施工效率，单班可完成 8 个炮孔爆破作业。【参考文献】1 宫世文，张荪茗，孙震，等.深孔预裂
13、爆破强制放顶技术的应用 J.煤矿安全，2007，38（01）：（上接第 57 页）测结果得出巷道表面位移移近情况如图 4。（a）顶板变形量（b）两帮移近量图 4 巷道掘进期间围岩变形量通过分析图 4 可知，在巷道掘进期间，随着巷道掘进时间的延续，顶板下沉量和两帮移近量均出现逐渐增大的趋势。其中顶板下沉量主要出现在巷道掘进后的 05 d 内，两帮移近量主要出现在巷道掘进后的 06 d 内，顶板累计下沉量和两帮累计移近量分别为 15 mm 和 11 mm。顶板最大下沉速度在巷道掘进 3 d 后出现，最大值为 6 mm/d；两帮最大变形速度在巷道掘进 4 d 后出现，最大值为 4 mm/d。在巷道掘
14、进 5 d 后，顶板及两帮的变形量逐渐趋于稳定，掘进 10 d 后顶板下沉速度及两帮变形速度均变为 0，最终顶板下沉量及两帮变形量最大值分别为 20 mm 和 14 mm。5 结论C2316 工作面切眼开门期间开门口巷道跨度大，通过采取加密锚杆、锚索，架设木垛等措施进行加强支护，经过表面位移监测，最终顶板下沉量及两帮变形量最大值分别为 20 mm 和 14 mm，巷道围岩变形控制较好，能够保证大跨度下掘进期间的顶板安全，为以后大跨度掘进提供宝贵的经验。【参考文献】1 钱明高，刘听成.矿山压力及其控制 M.北京：煤炭工业出版社，1984.2 吕飞，于可伟.关于软岩巷道围岩分类的巷道支护优化设计
15、J.城市建设理论研究（电子版），2017（05）：123.3 华心祝，马俊枫，许庭教.锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿空留巷围岩控制机理研究及应用 J.岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2107-2112.21-222 庞家平，韩玉友.预裂爆破技术在坚硬顶板突出煤层回采工作面中的应用 J.安徽科技，2007（04）：52-53.3 张建明.郭庄煤业井下液压支架在复杂地质条件下的稳定性分析 J.山东煤炭科技，2019（12）：132-133+145.4 刘志忠.利用深孔控制预裂爆破技术提高综放工作面顶煤回收率 J.煤矿安全，2006，37（03）：33-35.5 孙小军.东曲矿 18406 工作面初次放顶技术研究J.中国煤炭，2010，36（S1）：10+26.6 何岗，张为，赵立柱.回撤工作面坚硬顶板初次垮落冲击风暴的防治J.煤矿开采，2011，16（02）：102-103.7 李虎民，傅鉴源.深孔预裂爆破技术在综采顶板管理中的应用J.煤炭科学技术，2003，31（07）：10-128 林青，王晓振，许家林，等.顶板预裂爆破技术在防止压架事故中的应用 J.煤炭科学技术，2011，39（01）：40-43.
