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四老沟矿坚硬顶板初采定向爆破弱化技术研究与应用
摘要：鉴于四老沟煤矿顶板厚度大、硬度大、强度高的特殊赋存条件，当工作面初采期间面临着初次来压步距大、初次破断极易诱发工作面动载灾害等难题，选取四老沟煤矿8108综放面为工程背景，提出爆破切顶弱化技术，采用理论分析及数值模拟研究爆破切顶角度与高度对坚硬顶板的弱化效果，得出最优切顶弱化方案；结合现场施工效果进行验证。研究结果表明，通过理论分析及数值模拟验证了方案3#的切顶参数(20.3 m、θ=50°)对坚硬顶板的弱化效果最佳。现场实践方面，从坚硬顶板弱化后的钻孔窥视验证了爆破弱化对坚硬顶板整层的破坏效果明显，从支架工作阻力验证了3#方案切顶参数的合理性，为工作面坚硬顶板控制技术研究提供了理论指导。
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我国煤炭资源赋存特征为分布范围广、环境复杂、资源储量大，由于其赋存条件的多样性，煤矿开采过程中会面临着瓦斯、煤尘、水、火和顶板5大类灾害[1-2]。顶板灾害发生的频率和影响范围高居榜首[3-4],工作面顶板管理及防治是煤矿安全高效生产的基本前提，其中坚硬顶板的防治又是顶板控制的重中之重[5-6]。坚硬顶板的特性是厚度大、致密性高、裂隙不发育、强度大，此类顶板占比近1/3,分布范围超过全国近半数矿区[7-8],这就为我国坚硬顶板控制技术研究提供了必要性[9-10]。由于坚硬顶板来压步距大、矿压显现剧烈、工作面动载现象明显，工作面初采阶段悬顶面积大，极易造成大跨距顶板破断形成工作面强扰动和“飓风”等动力灾害[11],并对工作面支架设备和人员工作环境的安全性产生直接影响，因此初采阶段的顶板控制技术是工作面安全高效生产的基本保障[12]。
坚硬顶板初采阶段弱化技术是现阶段顶板控制亟待解决的难题，我国众多专家学者对坚硬顶板的强矿压致灾机理及防治措施等方面进行大量研究，并取得了诸多成果，从现场施工效果验证了其可行性。由于不同顶板岩性及层位存在差异性，坚硬顶板的初采放顶应结合工作面顶板赋存情况“因地制宜”,其中具有代表性的是采用预裂爆破和水力压裂2大类顶板弱化技术[13-14]。
综上所述，水力压裂技术受限于设备水压、岩层层理弱面等因素影响，弱化效果难以评估，因此文中提出定向深孔爆破切顶弱化技术对坚硬顶板进行初采强制放顶，以四老沟煤矿8108工作面为工程背景，采用数值模拟研究爆破切顶高度、角度对切顶效果的影响，结合现场施工效果进行验证，为坚硬顶板初采顶板控制及灾害防治提供理论指导。
1、工程概况
四老沟煤矿8108综放面位于辅助辅运大巷东北部，工作面东部为8106工作面，南部为辅助辅运大巷，北部为同忻矿区，西部未开拓。8108工作面属于C3～5号煤层，2108巷走向859 m, 5108巷走向934 m, 倾向长度200 m, 煤厚介于4.0～9.1 m, 平均厚度为6.2 m, 煤层结构复杂，煤层倾角为2°～10°,平均角度7°,煤层变异系数20%,工作面埋深为510 m, 工作面布置方向为200 m, 推进方向为896 m。
8108综放面直接顶为粉砂岩、中砂岩，基本顶为含砾粗砂岩，直接底为粉砂岩，老底为含砾粗砂岩，岩层柱状图如图1所示。
图1 8108工作面综合柱状图
由图1可知，8108综放面坚硬顶板为煤层上方6.3 m处的巨厚粗粒砂岩，其厚度可达14.07 m, 由于其层位及厚度特征对8108工作面初采顶板控制造成了较大的安全隐患，因此对粗砂岩进行爆破弱化处理达到强制放顶的要求，进而降低坚硬顶板大面积悬顶造成的工作面动载强矿压的风险。
2、爆破弱化方案研究
2.1 工程类比分析坚硬顶板初次破断特征
根据四老沟煤矿C3～5号煤层开采的实践经验可得出，本煤层8101、8102、8103、8104、8118工作面已回采完成，通过将已回采的5个工作面初采数据进行统计分析可得，初次来压步距为65～70 m左右，直接顶垮落步距约33 m左右。
通过对比分析5个工作面初采阶段均面临着坚硬顶板初次来压步距大的现象，其初次来压步距高达70 m, 工作面初次破断动载现象十分严重，这就为后续准备回采的8108工作面初采顶板弱化技术研究提供了必要性，为减弱初采期间坚硬顶板大面积悬顶条件下破断对工作面造成的影响，预先在工作面开切眼处对基本顶岩层进行爆破弱化，达到减小工作面初次来压步距的效果，实现安全管理工作面顶板的目的。
2.2 爆破弱化方案设计
2.2.1 确定放顶高度
根据垮落带岩石碎胀系数对垮落带高度计算如式(1)
式中，h为工作面采高，m;k为岩石碎胀系数(垮落带),一般值为1.3～1.5。
由公式(1)可以计算得出，当碎胀系数较小时，垮落带的延伸高度越大。根据8108工作面顶板岩性及完整性情况，取碎胀系数为1.2,由公式(1)计算可得Hk/d=20.7m。
由碎胀系数计算可得出，垮落带由工作面顶板算起最大延伸高度为20.7m,根据8108工作面综合柱状图可知，该高度可延伸至14.07m厚的粗粒砂岩基本顶上边界处，因此爆破的主要任务就是将厚硬基本顶爆破垮落，既可以破坏坚硬顶板减小来压步距，又可以保障垮落带高度达到充满采空区的需求，因此确定爆破切顶高度为距工作面顶板高度为20.3m的基本顶上边界处，如图2所示。
2.2.2 钻孔布置方案
本方案共施工钻孔2108巷布置28组孔，5108巷布置28组孔，工作面布置7组孔，共63组孔，孔径65 mm, 对工作面顶板进行爆破预裂，总长度3 598 m。
图2 8108工作面爆破切顶剖面图
表1 钻孔布置参数
3、爆破切顶弱化模拟分析
3.1 模型构建及方案设计
为了深入研究四老沟煤矿坚硬顶板爆破切顶弱化效果，基于8108工作面为工程背景构建UDEC数值模拟模型，模型如图3所示。
图3 模型示意
模型尺寸为140 m×100 m(长×高),其中长度方向左、右边界影响区各30 m, 工作面中部开挖区域为80 m(略大于未弱化条件下的初采来压步距),高度方向底板岩层20 m, 煤层6.2 m, 顶板岩层73.8 m, 工作面埋深约为510 m, 因此模型上边界的等效载荷为10.9 MPa, 模型左右及下边界设置位移约束。
为了深入研究切缝角度及高度对坚硬顶板的初次破断的影响，设计切缝高度和切缝角度因素影响下顶板初次破断特征以及弱化效果分析设计方案见表2。
表2 切顶爆破弱化方案设计
3.2 模拟结果分析
通过对各模型方案进行分析，得出不同模型初采顶板破断特征及围岩应力演化规律，从来压步距、应力集中程度判别各方案的弱化效果。
3.2.1 顶板破断结果分析
将模拟实验结果进行汇总分析，模型方案1#～6#条件下直接顶、基本顶初次破断特征如图4～5所示，研究各模拟方案的顶板破断距及破断结构的效果差异性。
由图4可知，对比分析模拟结果可得1#～3#(h=6.3 m/13.3 m/20.3 m、θ=50°)、5#(h=20.3 m、θ=70°)条件下直接顶破断距为20 m; 4#(h=20.3 m、θ=30°)条件下直接顶破断距为30 m; 6#(未弱化对照组)条件下直接顶破断距为40 m; 由此可得出，切顶后直接顶破断距均明显小于未弱化条件，且当切顶角度≥50°条件时，直接顶破断距最小。
由图5可知，对比分析模拟结果可得1#～2#(h=6.3 m/13.3 m、θ=50°)、6#(未弱化对照组)条件下基本顶破断距为60 m; 4#(h=20.3 m、θ=30°)条件下直接顶破断距为50 m; 3#(h=20.3 m、θ=50°)、5#(h=20.3 m、θ=70°)条件下基本顶破断距为40 m; 由此可得：切顶高度为6.3 m、13.3 m时基本顶破断距与未弱化条件基本一致，切顶高度为20.3 m时基本顶破断距均明显小于未弱化条件，且当切顶角度≥50°条件时，直接顶破断距最小。
综上所述，当切顶高度为20.3 m时基本顶破断距明显减弱，切顶角度≥50°时，基本顶破断距弱化效果最明显，由此可得3#(h=20.3 m、θ=50°)、5#(h=20.3 m、θ=70°)顶板破断距较之未弱化条件下减小50%。
图4 不同模拟实验方案条件下直接顶破断特征
图5 不同模拟实验方案条件下基本顶破断特征
3.2.2 围岩应力结果分析
将各个模型的基本顶破断围岩进行对比分析，通过各方案的基本顶破断围岩应力环境的差异性研究评价坚硬基本顶初采破断时弱化效果，得出最佳的切顶弱化参数，模型方案1#～6#基本顶初次破断时围岩应力演化特征如图6所示。
由图6所示，对比分析模拟结果可得1#～2#(h=6.3 m/13.3 m、θ=50°)、6#(未弱化对照组)条件下基本顶、煤壁超前应力集中区域较为一致，其围岩应力集中区域较大，表明坚硬顶板未弱化或弱化不充分条件下的顶板初次破断时，煤壁前方及其上方顶板承载应力较大，造成工作面矿压显现剧烈且煤变形较大；3#～5#(h=20.3 m、θ=50°/30°/70°)模型的基本顶、煤壁超前应力集中区域与1#～2#(h=6.3 m/13.3 m、θ=50°)、6#(未弱化对照组)相比明显更小，研究结果表明对坚硬顶板厚度方向充分弱化后，可以明显减弱顶板初次破断的围岩应力集中，通过进一步对比3#～5#的围岩应力集中区域大小为：4#(h=20.3 m、θ=30°)>5#(h=20.3 m、θ=70°)>3#(h=20.3 m、θ=50°),由此可得3#(h=20.3 m、θ=50°)模型弱化效果最佳。
4、现场实测效果分析
通过在四老沟煤矿8108综放面开切眼处按3#模拟参数设计爆破弱化方案，为了验证爆破后的效果，在5108巷采用钻孔窥视对坚硬顶板爆破效果进行检验如图7所示。
由图7所示，通过对比分析爆破弱化后的坚硬顶板钻孔窥视图，得出爆破弱化后13 m和20 m处的坚硬顶板裂隙发育均较明显，裂隙贯通效果良好，厚硬岩层的完整性及整体性均被破坏，其力学性质劣化效果明显，由此可以表明8108工作面顶板的弱化效果达到预期。
将初采阶段的支架工作阻力进行统计，未弱化工作面8101、8102、8103、8104、8118初采阶段的工作阻力最大值为14 863 kN,均值为7 953 kN;弱化后的本工作面初采阶段工作阻力最大值为8 863 kN,均值为5 641 kN,通过数据对比分析得出弱化后工作面初采支架峰值应力降低了40%左右，支架工作阻力均值降低了30%左右。
图6 不同模拟实验方案条件下基本顶初次破断的围岩应力演化特征
图7 8108工作面坚硬基本顶爆破弱化钻孔窥视效果
未弱化的5个工作面初采数据为：初次来压步距为65～70 m左右；弱化的本工作面初采数据为：初次来压步距为37 m左右。顶板来压步距明显减小，工作面强矿压、压架事故及动载显现明显缓解，弱化效果明显，结合现场的实测来压步距与数值模拟基本一致，验证了模拟的准确性。
5、结论
(1)采用理论研究四老沟坚硬顶板初采顶板弱化高度约为20.7 m, 结合数值模拟得出3#(h=20.3 m、θ=50°)模型参数条件下坚硬顶板弱化效果最佳。
(2)基于3#预裂爆破参数方案对坚硬顶板进行弱化后，从钻孔窥视及支架载荷等多角度验证了理论研究及数值模拟的可靠性，通过现场实测数据对比未弱化工作面验证了弱化效果明显，为工作面坚硬顶板控制技术提供了理论指导。
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文章来源:刘永冠.四老沟矿坚硬顶板初采定向爆破弱化技术研究与应用[J].陕西煤炭,2024,43(12):38-42+47.
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