深部开采中沿空留巷坚硬顶板预裂爆破技术研究_李鹏飞.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 1工程概况 某矿己 14- 31010 工作面下进风巷为沿空留巷 试验巷道，己 14- 31010 工作面回采高度为 1.8m， 工 作面的长度为 150m， 可推进长度为 570m， 采用综合 机械化的采煤工艺， 用全部垮落法进行顶板管理。己 14- 31010 工作面所采煤层为己 14 煤层，均厚为 0.5m， 煤层直接顶为细砂岩， 厚度在 0～8m， 基本顶为 中粒砂岩， 厚度为 9～18m； 直接底为均厚为 2.8m砂质 泥岩， 基本底为均厚 1.4m的细砂岩。 由于需沿空留巷 的试验巷道顶板为坚硬顶板， 围岩应力环境为高附加 应力， 会严重影响后期留巷区域的结构稳定， 故需对 沿空巷道坚硬顶板进行处理。 2预裂爆破后坚硬顶板结构分析 2.1坚硬顶板破断结构的形成 预裂爆破时施工位置在超前工作面的一定位置 处， 通过爆破在钻孔间形成大量裂隙， 让破碎岩石与 裂隙形成贯通从而对爆破区域的顶板形成弱化作用， 在工作面回采后顶板会在上覆岩层压力和自重应力 的综合作用下沿着顶板弱化区域破断， 预裂爆破后基 本顶可能形成铰接结构或直接切落[1,2]， 为达到充分卸 压的目的， 通过合理控制爆破参数能够让基本顶沿着 爆破线直接切落到采空区。 2.2预裂爆破形成切落结构的条件 由上述分析知爆破后基本顶破断形成两种结构， 分别为铰接结构和直接切落， 为达到对沿空巷道充分 卸压， 现想通过爆破使得块体 B 沿着爆破线切落， 对 于块体 B 切落时需满足的表达式，通过对铰接结构 的几何条件和条件进行分析得出表达式，则块体 B 沿着爆破线切落的条件即为与铰接结构相反。 图 1铰接结构的几何模型 铰接结构几何条件 根据预裂爆破后会产生一定 宽度的弱化的区域，用 2R 表示弱化区域的宽度， 建 深部开采中沿空留巷坚硬顶板预裂爆破技术研究 李 鹏 飞 （山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司 ， 山西 蒲县 041200 ） 摘要 我国煤层赋存条件复杂， 其中坚硬顶板煤层占到 1/3 以上。本文通过分析铰接结构形成的几 何与平衡条件， 得出形成充分卸压的切落结构可通过增大爆破弱化区半径实现， 并给出形成切落结构 的几何与平衡条件表达式； 根据需留巷的己 14- 31010 工作面下进风巷坚硬顶板的具体情况制定顶板 预裂爆破方案， 爆破后矿压观测数据表明工作面周期来压步距缩小， 矿压显现程度降低， 有效弱化了 沿空留巷区域的高应力。 关键词 坚硬顶板 ； 预裂爆破 ； 沿空留巷 中图分类号 TD327文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0023- 04 Research on presplit blasting technology of hard roof along the drift in deep mining LI Pengfei （Department ofEngineeringTechnologyManagement,HeilongCoal Co. ,Ltd. ,Shanxi Lu an Group Co. ,Ltd. ， Shanxi Puxian 041200 ） Abstract The occurrence conditions ofcoal seam in China are complex, among which the hard roofcoal seam accounts for more than 1/3. In this paper, by analyzing the geometric and equilibrium conditions of the hinge structure, it is concluded that the shear structure with sufficient pressure relief can be achieved by increasing the radius of the blasting weakening zone, and the expression of the geometric and equilibrium conditions for the ation of the shear structure is given; according to the specific conditions of the hard roof of the downdraft tunnel on the 14- 31010 working face of the required roadway, a pre- split blasting scheme was developed for the roof. After blasting, the observation data of mine pressure showed that the periodic pressure step of the working face decreased and the degree of mine pressure appeared decreased, effectivelyweakeningthe high stress alongthe emptyroadwayarea. Key words hard roof ; pre- split blasting ; gob- side entryretaining 23 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 立如图 1 所示几何关系模型， 下面通过讨论分析关键 块体 B 断裂后形成铰接结构的几何条件，图 1 中 L 为长度， h 为坚硬顶板的厚度， m 为煤层厚度， s 为关 键块体在运动过程中垂直下降时的位移。 关键块体 B 通过旋转接触到巷道底板 E 点， 若 块体 B 旋转后仍未能够与垮落块体接触便形不成铰 接结构， 用 A、 C 表示铰接结构的铰接点， 则在极限状 态下形成铰接结构的几何关系为 LABcosβ＞L2R（1 ） 根据铰接结构的几何模型中关系有 LADh- s2L2 ■ sinβ h- m h- s2L2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ （2 ） 联立式 （2- 1 ） 、（2- 2 ） 能够得出 s＜h-h- m24RLR ■ （3 ） 当满足式 （3 ） 时便能够保证块体之间相互接触， 当 A 下沉量过大时会导致 B 块体直接垮落到采空 区， 另外在 R 较大时， 会使得式 （3 ） 无法成立， 块体无 法接触， B 块体形成切落结构垮落到采空区，故能够 通过控制爆破参数扩大爆破弱化区域， 使得关键块体 切落到采空区， 达到充分卸压目的。 铰接结构平衡条件 在结构块体几何参数满足式 （3 ） 后能够保证块体间相互接触， 现讨论块体接触后 的平衡条件， 建立铰接模型如图 2 所示， 图中 FB 为 关键块体的上覆荷载及其自重， T为块体间的水平推 力。 图 2铰接块体平衡模型 通过对铰接点 A 取距为 0， 能够得出水平推力和 铰接点剪切力的表达式为 T q （L2R ） 2 2h- m sinβ 1 2 q （L2R ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ） （4 ） 当水平推力产生的摩擦阻力与剪切力相等时为 极限平衡状态， 铰接平衡条件为 Q≤Ttanφ[3]， 将式 （4 ） 带入铰接平衡条件有 h- m L2R ≤tanφ （5 ） 根据式 （3 ） 和 （5 ） 能够得出结构块体 B 形成切落 结构的几何与平衡条件的表达式为 s＞h-h- m24RLR ■ h- m h- s2L2 ■ ≥tan ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ φ （6 ） 3预裂爆破技术方案与效果 3.1预裂爆破技术方案 对沿空巷道坚硬顶板的预裂爆破技术主要包括 两个方面①超前工作面倾向深孔放顶爆破技术， ② 超前工作面走向小水平转角钻孔群切顶爆破技术。 3.1.1 超前倾向深孔放顶爆破技术 该技术就是在超前工作面的一定距离， 先在顶板 岩层中施工长钻孔， 随后进行爆破作业， 从而在顶板 岩层形成人工弱化带， 当工作面回采后， 工作面采动 裂隙与人工爆破裂隙会相互作用， 能够改变沿空留巷 顶板岩层的物理力学性质与岩层结构， 从而达到改变 工作面附近应力峰值， 降低应力峰值， 实现坚硬顶板 的整体性控制。炮孔布置参数主要如下 1 ） 炮孔布置方式。 炮孔布置方式主要有两种为单 向钻孔法和双向钻孔法， 在综合考虑施工组织安排上 的问题，对己 14- 31010 下进风巷采用单孔钻孔法进 行放顶爆破作业， 在工作面下风巷沿着煤层倾向对顶 板岩层进行打孔， 每一组爆破孔由 1 个老顶切断孔、 2 个端头切断孔和 1 个块度控制孔组成。 2 ） 炮孔直径。 另外采用大孔径炮孔能够取得较好 的超前深孔预裂松动爆破效果， 故该次施工时炮孔直 径为 75mm； 3 ） 炮孔间距。 综合考虑钻场布置情况与炮孔布置 方式， 选定炮孔的间距为 35m， 端头切断孔与基本顶 切断孔之间成小组布置， 组间上下间距为 0.5m， 块度 控制孔距老顶的距离为 2m； 4 ） 炮孔水平转角。根据工作面的长度、 顶板裂隙 产状、 钻机的性能等因素确定炮孔的水平转角[4]， 综 合以上因素确定端头断孔的水平转角设计为 25， 工作面老顶切断孔转角设计为 80； 5 ） 炮孔深度及末端高度。根据钻孔布置方式、 孔 底距巷道的水平距离及工作面长度有关[5]， 同时在巷 道与孔底之间留有足够长的隔离带来保证巷道不受 爆破作业的影响。在采用单向钻孔法布置炮眼时， 炮 孔深度 lb 的计算表达式为 lb L- l sinα （） 2 [ （L- l ） tanβ]2 ■ （7 ） 式中 L为开采工作面的长度， l 为孔底距巷道的水平 24 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 距离， α 为炮孔与巷道的夹角， β 为炮孔与工作面的 夹角。 故根据上式结合钻孔参数能够得出端头切断孔 炮孔深度为 16mm， 老顶切断炮孔深度为 81mm， 块度 控制孔的深度为 59m；在考虑到坚硬顶板的厚度为 16mm，为充分切断坚硬顶板故将块度控制孔和老顶 切断孔的末端高度设计为 16m， 端头切断孔末端设计 高度为 8m。 6 ） 炮孔倾角。根据炮孔水平转角、 末端高度及水 平转角确定后， 再结合煤层倾角能够计算得出炮孔倾 角， 计算表达式如下 φarctgh d （8 ） 式中 d 为炮孔在水平面上的投影长度， h 为孔底 的垂直高度； 根据式 （8 ） 能够得出端头切断孔的仰角 为 39， 老顶切断炮孔的仰角为 21， 块度控制孔的 仰角为 39。 3.1.2走向小水平转角钻孔群切顶爆破技术 在对坚硬顶板沿空留巷结构进行分析的基础上， 提出采用走向小水平转角钻孔群切顶爆破技术对巷 道顶板进行卸压， 拟采用 2 组 6 个走向钻孔对顶板基 本顶进行处理， 为使基本顶在墙体外侧破断， 从而调 整坚硬顶板破断的结构位态， 对留巷区域的围岩应力 场进行优化， 达到控制围岩变形的目的， 具体爆破钻 孔参数与布置方式如图 3 所示， 走向钻孔切顶爆破参 数如表 1 所示。 （a） 切顶爆破钻孔布置剖面图 （b） 切顶爆破钻孔布置平面图 图 3走向切顶爆破孔钻孔布置图 表 1走向钻孔切顶爆破参数 故根据上述可知己 14- 31010 工作面下进风巷坚 硬顶板沿空留巷爆破总体钻孔布置方案如图 4 所示。 图 4沿空留巷坚硬顶板预裂爆破钻孔布置示意图 3.2预裂爆破效果 在对顶板进行预裂爆破后通过对己14- 31010 工 作面液压支架工作阻力进行持续观测， 能够通过矿压 观测得出工作面来压周期与来压步距， 充分了解工作 面的压力变化情况， 将工作面液压支架的观测数据绘 制成曲线如图 5 所示。 图 5工作面支架阻力变化曲线图 通过对图 5 工作面液压支架支护阻力进行分析 能够看出在观测 60 天内，液压支架的阻力出现 5 个 明显的波峰， 分别为 5 月 8 日工作面推进 120m 的位 置处， 5 月 17 日工作面推进 144m 的位置处， 6 月 16 日工作面推进 196m 的位置处及 6 月 29 日工作面推 进 226m的位置处， 通过曲线中五个波峰的位置能够 分析得出工作面的四次周期来压步距分别为 24m、 25m、 27m 和 30m，故综上可知该工作面周期来压步 距平均在 20～30m，与未进行顶板预裂爆破时工作面 的周期来压步距相比缩短了 10m 左右，另外在回采 过程中液压支架的压力相应变小，未出现过压架现 象， 为工作面回采的正常进行提高了保障； 在对顶板 进行强制放顶后， 矿压显现剧烈程度明显降低， 有效 的对沿空留巷区域的高应力进行了弱化， 有效的保护 了充填墙体稳定。 4结论 1 ） 通过分析知基本顶爆破后会出现铰接和直接 切落两种形式， 并对铰接结构的平衡条件与几何条件 分析， 得出形成充分卸压的切落结构可通过增大爆破 （下转第 29 页 ） 迎向工作面钻孔背向工作面钻孔炮眼 炮眼编号Ⅰ、 ⅡaⅠ、 ⅡbⅠ、 ⅡcⅠ、 ⅡaⅠ、 ⅡbⅠ、 Ⅱc 仰角 /141924141924 水平转角 / 47104710 炮眼直径 /mm 757575757575 炮眼深度 /m 282930323436 25 ChaoXing （上接第 25 页 ） 区半径实现， 并给出形成切落结构的表达式。 2 ）针对己 14- 31010 工作面实际情况选用倾向 与走向相结合的超前深孔预裂爆破钻孔技术对己 14- 31010 工作面下进风巷的坚硬顶板进行预裂爆 破。 3 ） 根据实测矿压数据能够得出进行预裂爆破后 工作面的周期来压步距缩小 10m， 且工作面回采时矿 压显现程度明显减小， 有效的保护了沿空留巷充填墙 的稳定性。 参考文献 [1] 何满潮， 谢和平， 等.深部开采的岩体力学研究[J].岩石力 学与工程学报， 2005， 24 （16） 2803～2813 [2] 孙恒虎， 赵炳利.沿空留巷的理论与实践[M].北京 煤炭工 业出版社， 1993. 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[4] 王家臣， 陈忠辉， 等.坚硬厚煤层综放开采顶煤预爆破参 数研究[J].煤， 2000， 9 （3） 1～4 [5] 高魁， 刘泽功， 等.深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留 巷强制放顶中的应用[J].岩石力学与工程学报， 2013， 32 （8） 1588～1594. 作者简介 李鹏飞 （1984-） ， 男， 山西省长治市人， 2013 年 1 月毕业 于太原理工大学采矿工程专业， 助理工程师， 现从事煤矿生 产技术管理工作。 （收稿日期 2018- 8- 31） 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 图 870 支架工作阻力分布曲线 综合上述分析得出在工作面回采期间， 老顶在初 次来压后， 随着回采工作面的继续推进裂隙带岩层形 成的结构将不断的经历相似的周期性的稳定失 稳再稳定的变化过程，对 28、 126 支架工作阻力 具体分析得出 3205 孤岛工作面端头处平均初次来压 步距为 20.5m， 在来压期间支架受到的最大工作阻力 为 30.3MPa； 对 70 支架的具体分析得出工作面中部 的初次来压步距为 23.5m， 在来压期间支架工作阻力 的最大值为 30.4MPa， 故在顶板来压时工作面中部的 来压强度小于工作面两端头的来压强度， 并且端头的 来压步距比中部的来压步距要短， 所以回采期间需要 注意对工作面端头的支护及管理工作。 4结论 1 ）通过对 3205 孤岛工作面上覆岩层的结构分 析得出老顶初次来压步距与周期来压步距的计算表 达式，并判断出 3205 孤岛工作面上覆岩层属于短臂 “T” 型结构， 工作面的周期来压步距会较短， 周期来压 会比较频繁。 2 ）在工作面回采工作面推进期间，通过对观测 数据处理得出老顶来压的判据， 结合支架工作阻力曲 线图进行分析得出老顶的初次来压步距在 20～24m 范围， 周期来压步距在 9.5m～10m范围内。 3 ）根据分析 3205 孤岛工作面端头与中部的支 架工作阻力曲线图得出工作面两端头的来压强度大 于中部， 端头来压步距比工作面中部短， 故在回采期 间应注意加强工作面两端头的围岩控制。 参考文献 [1] 缪协兴,钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望 [J].采矿与安全工程学报,2009,3 （1） 1- 14. 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