坚硬顶板大采高工作面顶板弱化技术研究_房旭康.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：针对大采高综采工作面初采时坚硬顶板悬顶垮落矿压显现剧烈问题，以回坡底煤矿1 0-1 1 0工作面坚硬顶板条件为背景，对坚硬顶板工作面顶板弱化技术进行了研究，结论如下：采用数值模拟方法对工作面推进过程中煤岩体应力场进行了分析，根据分析结果，切顶后工作面前方应力集中区应力峰值大于未切顶时，有利于顶板断裂，断裂步距在3 0 3 5m范围内。提出采用双向聚能爆破技术进行预裂切顶，并对爆破参数进行了设计。根据矿压监测结果，工作面初采时基本顶初次垮落步距在2 8 3 5m范围内，因此爆破切顶预裂技术方案能整体切落煤层上方坚硬顶板，实现切顶卸压。关键词：工作面初采；坚硬顶板；爆破切顶卸压；数值模拟中图分类号：TD8 2 3.8 5文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 5 3-0 4Study on Roof Weakening Technology of Hard Roof on Large Mining Height FaceFang Xukang(Huipodi Colliery,Huozhou Coal Power Group,Hongdong,Shanxi 041600)Abstract:Aiming at the severe strata behavior of hard roof caving in the initial mining of large mining height fully mechanizedmining face,taking the hard roof conditions of the 10-110 working face of Huidipo Colliery as the background,the roofweakening technology of the hard roof is studied in the paper,whose conclusions are as follows:Firstly,the stress field of coal androck mass during the advancing process of the working face is analyzed by numerical simulation method，whose results show thatwhen the peak stress in the stress concentration area in front of the working face after roof cutting is greater than that without roofcutting,it is conducive to roof fracture,and the fracture step is within 30 35 m.Secondly,the technology of two-way colletenergy blasting is proposed for pre-split roof cutting,and the blasting parameters are designed.The monitoring results show thatthe initial caving step distance of the basic roof is within 28 35 m,which proves the technical scheme of blasting roof cuttingand presplitting can cut off the hard roof above the coal seam as a whole and realize roof cutting and pressure relief.Key words:initial mining;hard roof;blasting roof cutting pressure relief;numerical simulation坚硬顶板大采高工作面顶板弱化技术研究房旭康（霍州煤电集团回坡底煤矿，山西洪洞0 4 1 6 0 0）坚硬顶板控制是综采工作面采场围岩控制的重要内容，坚硬顶板岩层具有抗拉强度大，弹性模量高，分层岩体厚度大的特点，综采工作面在推进过程中，在不采取措施的条件下，坚硬顶板岩层短时间内难以垮落。一旦大面积悬顶突然垮落，工作面矿压显现剧烈并会产生强冲击载荷，有可能造成人员伤亡和设备损坏，对矿井的安全高效生产产生较大制约1-3。目前国内外学者对坚硬顶板控制技术进行了大量研究，高文学、刘运通等对爆炸载荷下岩体损伤机理及力学特性进行了研究，建立了反映岩体冲击拉伸损伤断裂的理论模型；王玉杰等对单个药包爆破作用进行了分析，对爆破炮孔布置参数进行了优化；高木福等运用数值模拟方法对坚硬顶板初次垮落步距进行了研究，确定了顶板处理的极限步距4-6。为有效解决综采面坚硬顶板悬顶问题，保证工作面的安全生产，消除重大顶板事故，以回坡底煤矿一采区1 0-1 1 0工作面条件为背景，采用数值模拟、现场工程实践与实测相结合方法，对坚硬顶板双向聚能预裂爆破技术进行研究，以确保该工作面初采的安全生产，杜绝顶板事故的发生。1工程背景回坡底煤矿一采区所采煤层为9#与1 0#合并煤 层，9#煤 厚 度 为2.2 3.8m，1 0#煤 厚 度 为1.4 1.8m，两煤层之间夹矸厚度为0.3 1.0m，倾角平均为4，煤岩层赋存较稳定。煤层顶底板条件如图1所示。1 0-1 1 0工作面是南翼采区首采面，工作面东、西、北方向为实体煤，南面为三条开5 3江西煤炭科技2023年第1期图1工作面顶底板柱状图拓大巷，工作面埋深在2 1 7 3 0 2m范围内。根据相邻南区左翼三条大巷及周边钻孔资料，该工作面掘进范围内无冲刷及风氧化带，地质构造比较简单。2坚硬顶板爆破切顶技术研究2.1采场切顶预裂矿压显现数值模拟分析（1）建立模型回坡底煤矿一采区首采面煤层上方直接顶即为基本顶，随着工作面向前推进，基本顶大面积悬露，由于基本顶坚硬、不易断裂，当工作面顶板悬露较大时会发生突然大面积垮落，造成安全事故。为解决坚硬顶板工作面初采期间采空区大面积悬顶突然垮落的问题，拟采用顶板爆破切顶卸压技术，并利用数值模拟软件，分析爆破切顶对悬顶的影响及断裂机理。依据回坡底煤矿1 0-1 1 0工作面地质生产条件，建立数值计算模型，工作面推进长度方向取1 8 0m，工作面斜长为1 2 0m，竖直方向取1 0 0m，计算模型大小为1 8 0m1 2 0m1 0 0m，如图2所示。模型周围各边界均为水平位移约束，底部为固定位移约束，上边界为自由边界，上覆岩层施加其自重载荷。图2数值模拟计算模型（a）预裂前（b）预裂后图3工作面垂直应力分布5 4江西煤炭科技2023年第1期（2）采场覆岩应力场演化特征在正常推进的过程中，由于煤体的采出，煤层顶板从下向上形成冒落、离层、弯曲沉降等过程，相应的在煤壁上方一定范围内的顶板就会形成竖直向下应力的集中区和卸载压力区。垂直应力状态分析随着工作面的推进，其垂直应力分布如图3所示。煤层开采后，预裂切顶前后在其采空区前后实体煤中都出现应力升高现象，且随着深入实体煤呈现先快速增长再缓慢下降的趋势；在采空区的顶底板出现相应的应力降低现象，且随着远离采空区呈现逐渐增加的趋势。工作面未进行顶板预裂情况下，应力峰值位置与距工作面煤壁距离约为5m，采动影响范围约为4 0m；工作面进行顶板预裂情况下，应力峰值位置与距工作面煤壁距离约为6m，采动影响范围约为4 4m，预裂后工作面前方应力峰值相比预裂前较大。由于切顶后工作面超前支承压力前移，使得煤壁前方应力峰值升高，顶板岩层在高应力作用下产生大量裂隙从而有利于断裂。在采空区后方，随着工作面推进在顶底板形成半椭圆状卸压区，预裂切顶后顶板卸压区向采空区后方偏移，表明预裂切顶能够在一定程度上缩短周期来压步距。采动覆岩卸压区形态演化规律图4为工作面预裂前后不同推进距离下的顶板上方5m处垂直应力分布图。从图中可以看出，切顶前，垮落带中卸压区形态为圆角矩形圈，其中部垂直应力最小，四周存在应力集中区，两巷道侧应力集中区较小，煤壁前与采空区后应力集中区较大；切顶后，垮落带中卸压区形态呈现不完整圆角矩形圈，其一边被切顶裂缝隔断，四周也出现相应的应力集中区，同时回采面前上方应力集中区应力大于未切顶时，表明切顶后此区域应力增大，有利于加速顶板裂隙的衍生。未预裂切顶时，煤壁前方顶板应力随回采工作的推进逐渐增加，未出现峰值，预裂切顶后工作面推进至3 0 3 5m时应力峰值出现降低，表明此时顶板发生断裂卸压，即初次垮落步距在3 0 3 5m范围内。根据上述数值模拟分析，采取预裂切顶措施后，围岩应力场相比为切顶前发生改变，岩层强度整体下降。同时，工作面煤壁前方顶板在高应力作用下产生大量裂隙，顶板完整性破坏，有利于坚硬顶板在采空区及时垮落，从而缩小工作面初次垮落步距，避免了大面积悬顶，提高回采工作面的安全性。2.2爆破切顶技术方案针对坚硬顶板大面积悬顶垮落造成的剧烈矿压显现现象，为缩短坚硬顶板来压步距，降低工作面来压强度，拟采用双向聚能爆破技术对1 0-1 1 0工作面切眼处顶板进行切顶预裂。（b）预裂后图4工作面顶板5m处垂直应力分布5 5江西煤炭科技2023年第1期图6工作面液压支架工作阻力三维曲线预裂切顶采用乳化炸药加聚能管进行双向爆破，爆破炮孔布置在1 0-1 1 0工作面切眼内支架尾部老塘侧距煤壁1 0 0mm处，钻孔直径为4 8mm，深度为7 m，钻孔沿竖直方向偏向切眼后侧5，间距为8 0 0mm，切眼内共布置1排炮孔，共3 0 0个。乳化炸药选用直径3 5 3 0 0mm药卷，采用“3+2+2+1”装药方式，即每孔眼内安装4根聚能管（3根1.5m+1根0.5m），聚能管内装二级乳化炸药，最上一根聚能管内装3卷药，第二、三根聚能管内装2卷药，第四根聚能管内装1卷药，共计8卷药，炮孔封泥长度为2m。爆破钻孔及装药方式如图5所示。图5爆破钻孔及装药方式3现场矿压实测研究1 0-1 1 0工作面在爆破切顶预裂后工作面开始回采，为验证切顶卸压作用效果，对工作面推进过程中的矿压规律进行了监测，监测结果如图6所示。从图中可以看出，工作面推进0 2 8m范围内，顶板压力较小，来压特征不明显；推进距离在2 8 3 6m范围内工作阻力明显上升，其中3 4 3 6m来压强度最大。该结果表明顶板从2 8m时开始断裂，推进到3 5m时，基本顶基本全部垮落，该结果与数值模拟结果基本相同。对比相邻工作面未切顶条件下矿压监测结果，工作面基本顶初次垮落步距在5 2 5 8m范围内，因此该爆破切顶预裂技术方案是可行的，能整体切落煤层上方坚硬顶板，缩减顶板垮落步距，实现切顶卸压。4结论1）采用数值模拟方法对1 0-1 1 0工作面推进过程中煤岩体应力场进行了分析，根据分析结果，切顶后工作面前方应力集中区应力峰值大于未切顶时，有利于顶板断裂，断裂步距在3 0 3 5m范围内。2）在1 0-1 1 0工作面切眼初采时采用双向聚能爆破技术对煤层坚硬顶板进行预裂切顶，并对爆破参数进行了设计。根据矿压监测结果，基本顶初次垮落步距在2 8 3 5m范围内，爆破切顶预裂技术方案能整体切落煤层上方坚硬顶板，实现切顶卸压。参考文献：1 杨俊哲，郑凯歌，王振荣，等.坚硬顶板动力灾害超前弱化治理技术J.北京：煤炭学报，2 0 2 0，4 5（1 0）：3 3 7 1-3 3 7 9.2 高富强.工作面坚硬顶板水力压裂对采动应力影响的数值模拟研究J.北京：采矿与岩层控制工程学报，2 0 2 1，3（2）：5-1 3.3 陈灿，刘贤，肖洪天.塔山煤矿坚硬顶板水力压裂裂缝扩展规律研究J.长沙：矿业研究与开 发，2 0 2 0，4 0（9）：7 5-8 0.4 王治文，陆银龙，吴秉臻，