煤矿开采坚硬顶板技术分析

1注入静态破碎剂弱化坚硬顶板

破碎过程不会产生剧烈震动、噪音、飞石和粉尘、炮烟等有毒有害气体，具有传统爆破技术无法比拟的优势，但目前该方法还处于不成熟的试验阶段，仍具有许多缺点，如破碎剂开始反应的时间，即起点时间不易把握；静态破碎过程需要的时间较长；钻孔尺寸不易把握和易发生喷孔问题等。

2爆破弱化坚硬顶板

爆破弱化是通过钻孔装入炸药瞬间爆炸的方法将一定高度范围内的顶板切断，在重力作用下及时地自然垮落形成矸石垫层充满采空区，减小顶板冒落面积，减弱顶板冒落时的冲击力和冲击波。目前常用的爆破弱化方法有：①循环式浅孔爆破；②步距式深孔爆破；③超前深孔预裂爆破；④地面深孔爆破[5]。目前，国内外在控制坚硬顶板时最常用的方法为超前深孔松动爆破，这种方法不但不影响工作面生产，而且效果较明显。

3工程应用

某矿一工作面开采15号煤层，煤层厚度5.0～8.5m,平均厚度6.3m。直接顶主要为泥岩、砂质泥岩，局部相变为粉砂岩及细粒砂岩，灰黑色，厚层状，厚度5.6～10.5m；老顶为灰色中厚层状石灰岩，致密坚硬，厚度为5.0～7.8m。由于工作面老顶岩层厚度大且致密坚硬，回采过程中不易垮落，易形成大面积悬顶，存在极大的安全隐患。实验室试验结果得出，15号煤层老顶石灰岩吸水率较低，且注水软化周期长，不宜采用；高压注水压裂与顶板注入膨胀剂也仅在试验阶段；爆破弱化在我国煤矿开采初始就已使用，各项措施完善，因此选用爆破弱化方法处理15号煤层顶板。循环式浅孔爆破是在切顶支架处向顶板岩层钻孔并装药爆破，由于切顶支架位于采空区边缘，钻孔与装药工作较困难且严重影响生产；步距式深孔爆破是沿工作面向顶板采空区方向钻孔、装药进行爆破，工序难于实施且与工作面回采工作冲突；地面深孔爆破是在采区顶板对应的地面位置垂直向下钻深孔，钻孔深度和工程量大且钻孔经过地面表土层，孔易变形导致成孔率较低，甚至无法成孔，影响装药质量，可能爆破不到煤层顶板[6]。开切眼内深孔预裂爆破是在开切眼完成后进行施工，在工作面回采之前实施，不会影响工作面正常生产。因此，工作面回采前选择在开切眼内深孔预裂爆破弱化处理该矿15号煤层坚硬顶板。

4顶板预裂爆破效果分析

回采工作面在贯通开切眼后，切眼周围的煤岩体受到的扰动影响小，老顶内部结构完整，属于连续介质。回采期过程中悬顶距离大难垮落的老顶岩层一般具有强度高、厚度大、完整性好等特点，这样的老顶岩梁断裂前的变形量很小，为使分析问题简单可以忽略不计；老顶受到上覆岩层的载荷分布广泛且应力集中程度低，近似看作均布载荷。回采前老顶岩梁的力学模型如图1所示。切眼贯通且未实施预裂时，切眼周围实体煤支撑上方顶板，此状态下的老顶岩梁可近似看成固支梁，两端受到周围煤体的力矩约束。固支梁模型受力分析如图2所示。一般情况下，计算和校核老顶极限跨距的依据是老顶极限抗拉强度，当岩梁受到的正应力达到该岩层的抗拉极限时，岩层将在被拉伸断裂。因此两端固支状态下老顶的断裂极限跨距为：式中：h为老顶厚度，m；RT为抗拉强度极限，MPa；q为老顶承受上方载荷，kPa；LT为老顶极限跨距，m。工作面回采前在开切眼顶板上按设计参数布置深入老顶的钻孔，装药爆破预裂老顶岩层可有效解决回采过程中大面积悬顶的问题。深孔预裂后，开切眼顶板内部会产生多条大小不等的裂纹，老顶岩梁一端的力矩约束被解除，形成新的平衡。新平衡状态下的老顶岩梁可简化成一端固支一端简支，力学模型如图3所示。从以上分析看出，相同条件下的两端固支梁比一端固支一端简支梁的极限跨距大，前者约为后者的1.23。初采工作面老顶经深孔预裂处理后，老顶的极限跨距可减小至未处理时的0.82倍，即深孔预裂可有效缩短老顶的极限跨距，同时减小老顶的来压步距和强度。爆破预裂处理后该工作面的平均垮落步距减小了约10m，悬顶面积明显减小。工作面推过以后，没有出现大面积顶板垮落带来的安全隐患，巷道矿压观测正常，瓦斯、CO等气体含量也在正常范围内；瓦斯高抽巷稳定性良好，顶板爆破预裂对该巷道的影响较小。

5结论

（1）通过建立坚硬顶板力学模型，并对其预裂前后断裂步距进行分析计算，得出通过初采前顶板弱化处理，可使坚硬顶板初次断裂步距减少约为同类未经处理顶板的0.82倍。（2）通过开切眼内深孔预裂爆破方法弱化处理该矿15号煤层坚硬顶板工业性试验，爆破预裂处理后该工作面的平均垮落步距减小了约10m，有效防止和减弱了初采时期顶板的大面积来压隐患。

作者：段贤斌单位：太原理工大学矿业工程学院 西山煤电股份公司西铭矿