高 懷 俊

（山西潞安集團潞寧孟家窯煤業(yè)公司，山西 忻州036000）

1 工程概況

孟家窯煤礦11508 工作面開采11 采區(qū)5 號煤層，工作面埋深350～400m，平均煤厚10.6m，平均傾角25°，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含2～3 層夾矸，內(nèi)生節(jié)理不發(fā)育，煤層質(zhì)地松軟。工作面?zhèn)雾攷r性為泥巖，黑色、薄層狀，厚度0.5～1.0m，屬軟巖；直接頂板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部為粉砂巖、粒砂巖，厚度3.0～5.0m，巖相變化較大，屬于不穩(wěn)定-中等穩(wěn)定頂板；老頂巖性一般為中、細粒砂巖，分布不均厚度變化30.0～35.0m。直接底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖等，厚度7.5～9.0m，巖相變化較大；老底巖性主要為粗、中、細粒砂巖，厚度10.0～15.0m，巖相變化較大，規(guī)律及不穩(wěn)定。

11508 工作面采用放頂煤開采，采煤高度2.8m，放煤高度7.8m，采放比1:2.8，循環(huán)進尺為0.6m，放煤步距也為0.6。在截割高度之上的煤體中，存在一層厚度達1.0m 的堅硬夾矸，如圖1 所示。由于夾矸層位距上方巖層和下部支架都有一定距離，上方頂板破斷產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)變形和下放支架產(chǎn)生的反復(fù)支撐作用都不能使該層夾矸產(chǎn)生破碎，堅硬夾矸層的存在影響了頂煤冒放的效果，對11508 工作面的正常推進十分不利。因此，需要對含夾矸層的頂煤冒放性進行研究并采取相應(yīng)的厚夾矸層軟化措施改善頂煤冒放性。

圖1 11508 綜放面頂煤夾矸位置示意

2 含夾矸頂煤破碎機理

2.1 頂煤破碎機理的力學(xué)分析

在放頂煤工作面向前推進過程中，采場前后方的頂煤受力狀態(tài)和損傷變化特征可以劃分為4 個階段，如圖2 所示。I 區(qū)域范圍最廣，從煤體原巖應(yīng)力區(qū)直到超前應(yīng)力峰值位置，越靠近工作面煤體所受超前應(yīng)力場越大，煤體發(fā)生細觀損傷的程度越大，此時細觀損傷僅限于有發(fā)育成裂隙的趨勢，煤體整體完整性良好；II 區(qū)域是超前支承應(yīng)力峰值位置至煤壁位置區(qū)域，此時越靠近煤壁，應(yīng)力值越小，煤體中發(fā)育的細觀裂隙已經(jīng)貫通發(fā)育成宏觀裂紋，表現(xiàn)為煤體破碎狀態(tài)加劇，塑性變形產(chǎn)生，承載能力逐步失去；III 區(qū)域從采場煤壁到支架后方頂板斷裂處，這部分頂煤屬于放煤區(qū)域，放煤過程中頂煤下沉速度遠大于上方頂板下沉速度，煤巖交界處產(chǎn)生離層，在支架反復(fù)支撐的擾動下，頂煤多發(fā)生豎向斷裂從而有利于放煤工作的進行，如果頂煤中存在夾矸層則會阻礙豎向斷裂的產(chǎn)生從而不利于頂煤冒放；IV 區(qū)域為支架后方的采空區(qū)垮落區(qū)，頂板下沉過程中會存在部分未放出的頂煤，這部分頂煤與前方煤體緊密相連從而限制支架上方頂煤破碎程度。正常情況下，4 個區(qū)域的過程是連續(xù)且頂煤能夠充分冒放的，當(dāng)頂煤中存在厚硬夾矸層時，一方面頂煤不能充分發(fā)育豎向裂隙而無法破斷，另一方面即使頂煤豎向破斷產(chǎn)生，其破碎塊度也較大，不利于放煤工作的進行。

圖2 放頂煤的自然破壞過程

2.2 含夾矸對頂煤冒放性的影響分析

含厚硬夾矸層的頂煤中，應(yīng)力傳遞會被阻斷，導(dǎo)致夾矸層上方煤層受力加大而下方煤層受力較小，同時夾矸層的存在還會導(dǎo)致頂煤變形分為兩部分，無法同時達到變形破壞的狀態(tài)，受夾矸層影響的頂煤塑性區(qū)發(fā)育和破碎系數(shù)對比如圖3、圖4 所示。塑性區(qū)發(fā)育趨勢表明夾矸層對上部煤體的破壞狀態(tài)影響較小，但對夾矸層附近煤體影響較大，使其出現(xiàn)彈性區(qū)，將上下兩部分的塑性區(qū)發(fā)育分離開，無法產(chǎn)生整體破碎狀態(tài)。破碎系數(shù)對比情況表明，受夾矸層的影響支架正上方破碎系數(shù)小于1.0 的區(qū)域基本擴展到整個支架上方位置，平均破碎系數(shù)從無夾矸的1.51 減小到有夾矸的0.99，降幅達34.4%，由此可見，頂煤夾矸層的存在，大大減小了頂煤的破碎程度，對頂煤的放出率影響很大。因此，有效增加頂煤與夾矸層的破碎程度是保證11508 工作面正常放煤工作的前提。

圖3 有無夾矸層對頂煤塑性區(qū)發(fā)育的影響

圖4 有無夾矸層對頂煤破碎系數(shù)的影響

3 11508 綜放面含厚夾矸放頂煤技術(shù)措施

3.1 含厚夾矸頂煤預(yù)裂爆破方案設(shè)計

為保證頂煤中的夾矸能夠被充分預(yù)裂爆破，在11508 工作面頂煤中新掘進一條爆破工藝巷，巷道斷面寬×高為5.0m×3.0m，布置在上方頂煤中部，工藝巷中線距兩側(cè)工作面巷道各75m，邊上留20m 的煤體不爆破以保證工作面順槽的穩(wěn)定性，則工藝巷兩側(cè)需爆破的煤體范圍各為50m，如圖5 所示。在工作面初采時由于來壓較強烈可不采取預(yù)裂措施，為減少工藝巷的掘進距離，掘進迎頭距開切眼煤壁60m 處停止。巷道設(shè)計預(yù)裂爆破鉆孔每排間距為6m，單排布置4 個孔，上下兩孔口相距3.0m，孔口角度分別與煤層夾角成±2°，鉆孔與巷道夾角為75°，鉆孔孔深為60m。

為保證頂煤和夾矸的預(yù)裂效果最大化，選用二級煤礦許用乳化炸藥，采用不耦合裝藥，裝藥系數(shù)根據(jù)模擬計算選取為1.25，同時確定的藥卷直徑為50mm，實際鉆孔直徑為62mm，藥包規(guī)格為50mm×580mm。綜合考慮爆炸效果和能量利用率，確定合理線裝藥密度為2.53kg/m，單孔裝藥量113.8kg。炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖6 所示，封孔材料采用黃泥與沙子分段封堵，封堵長度占總長的1/4。采用雙電雷管導(dǎo)爆索孔底反向起爆，起爆器型號為MFD-200 型，三排炮孔同時起爆，毫秒延遲時間為25ms。

圖5 爆破鉆孔布置方案

圖6 裝藥結(jié)構(gòu)示意

3.2 工程應(yīng)用效果分析

由于切眼前方60m 頂煤未采取預(yù)裂爆破措施，可以將有無爆破作用的放煤塊體進行統(tǒng)計分析，如圖7 所示。經(jīng)過爆破作用后，頂煤的破碎程度明顯增加，塊度小于20cm 的范圍比例增加了25.6%，大塊度21～30m的范圍比例減小了24%，預(yù)裂爆破作用對頂煤破碎的作用明顯，大塊夾矸或煤體堵塞放煤口的現(xiàn)象基本沒有發(fā)生。另外，經(jīng)過對頂煤回收率的統(tǒng)計分析，爆破后的頂煤綜合回收率相較之前增加了11.1%，達到了80.4%，工作面每循環(huán)多回收煤量300t 左右，經(jīng)濟效益可觀，安全技術(shù)符合11508 綜放面生產(chǎn)要求。

圖7 頂煤塊度統(tǒng)計分析

4 結(jié) 論

頂煤中厚硬夾矸層的存在對頂煤豎向裂隙發(fā)育和煤體破碎塊度有直接影響，不利于頂煤冒放工作。頂煤中夾矸層的存在會使塑性區(qū)發(fā)育被阻斷，整體破碎系數(shù)減小，對工作面支架與采空區(qū)安全產(chǎn)生較大負面影響。采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)可以有效將堅硬夾矸進行破碎，11508 綜放面頂煤采用深孔預(yù)裂爆破后，頂煤回收率增加了11.1%，單循環(huán)多回收近300t 資源，有效滿足了經(jīng)濟效益與生產(chǎn)安全的要求。