張俊義

（潞安化工集團慈林山煤業(yè)公司夏店煤礦，山西 長治 046299）

1 工程概況

慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦主采的3#煤層埋深354.1～539.4 m，煤層傾角2°～9°，平均傾角為4°，煤層厚度6.8～7.6 m，平均厚度7.24 m，煤層賦存穩(wěn)定，可采指數(shù)為1。如表1 所示，3#煤層上方覆巖依次為均厚1.07 m 的泥巖及均厚14.41 m 的石灰?guī)r，下方巖層依次為均厚0.27 m 的泥巖及均厚5.27 m 的砂質(zhì)泥巖。

3#煤層采用放頂煤進行回采，而3#煤層上方有一層均厚14.41 m 的石灰?guī)r，不僅厚度大，且較為堅硬，完整性較好，在工作面回采后不易垮落，易形成大面積懸頂從而引發(fā)強礦壓事故，嚴(yán)重威脅了礦方的安全生產(chǎn)[1-4]。因此，提出采用深孔爆破的方法對工作面厚硬頂板巖層進行預(yù)裂爆破，迫使石灰?guī)r層在工作面回采后及時垮落。

2 爆破方案設(shè)計

2.1 堅硬頂板應(yīng)力分布特征

為制定合理的爆破方案，需了解工作面回采過程中頂板巖層的應(yīng)力分布情況。借助3DEC 數(shù)值模擬軟件對頂板巖層應(yīng)力分布特征進行分析研究。以3119 工作面為工程背景建立數(shù)值模型，模型尺寸為長×寬×高=1000 m×10 m×378 m，巖層力學(xué)參數(shù)見表1，采用摩爾-庫倫力學(xué)模型模擬工作面回采過程中裂隙發(fā)育及頂板巖層破壞情況。工作面回采過程中，頂板上覆巖層垂直位移、應(yīng)力及能量特征如圖1。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性及力學(xué)參數(shù)

圖1 工作面回采過程中頂板巖層變形特征

如圖1（a）所示，當(dāng)3119 工作面回采100 m時，采場上覆堅硬石灰?guī)r初次垮落，此時頂板巖層垂直應(yīng)力和能量密度如圖1（b）。當(dāng)頂板石灰?guī)r垮落時，采空區(qū)垮落頂板巖層垂直應(yīng)力及能量密度減小而兩側(cè)巷幫煤體上覆頂板巖層垂直應(yīng)力和能量密度增大，在超前工作面21 m 位置時采場頂板巖層垂直應(yīng)力和能量密度達到最大值，最大值分別為17.7 MPa 和56.6 kJ/m3，垂直應(yīng)力和能量密度集中系數(shù)分別為1.5 和13.8，垂直應(yīng)力和能量影響區(qū)間為超前工作面46～55 m。如圖1（c）、（d），工作面回采過程中，超前工作面頂板巖層垂直應(yīng)力范圍為15.8～24.1 MPa，能量密度范圍為46.8～75.2 kJ/m3，當(dāng)堅硬石灰?guī)r層未垮落時，超前工作面頂板垂直應(yīng)力和能量密度數(shù)值較大，集中系數(shù)分別在1.5～2.0 和13.4～18.3 范圍內(nèi)，超前工作面影響區(qū)域為34～69 m。

2.2 深孔爆破方案

通過分析可知，頂板巖層應(yīng)力和能量積聚區(qū)域在超前工作面34～69 m 范圍內(nèi)。綜合考慮3119 工作面地質(zhì)條件及施工設(shè)備情況，對工作面前方50 m區(qū)域內(nèi)的堅硬石灰?guī)r頂板進行深孔預(yù)裂爆破，爆破高度以切斷采場上方石灰?guī)r為準(zhǔn)。深孔爆破布置如圖2，在回采巷道及工藝巷沿工作面走向方向每隔10 m 布置一組爆破孔。爆破孔參數(shù)見表2。

表2 爆破孔參數(shù)

圖2 爆破孔布置圖（m）

3 現(xiàn)場試驗

按照前述設(shè)計方案，在3119 工作面進行現(xiàn)場試驗。為驗證深孔爆破效果，對頂板巖層垮落情況進行定期觀測，對工作面回采過程中液壓支架工作阻力變化情況進行現(xiàn)場監(jiān)測，如圖3。

如圖3 所示，不同位置的液壓支架工作阻力變化曲線走向相似，20#、50#、60#、90#液壓支架平均工作阻力在26.5 MPa 左右。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在2 月12 日—2 月14 日期間，液壓支架工作阻力明顯增大，此時采場上覆堅硬石灰?guī)r層大面積垮落，導(dǎo)致工作面液壓支架工作阻力在這期間明顯增大。通過現(xiàn)場觀測，在2 月12 日—2 月14 日期間，當(dāng)工作面推進46 m 左右時，工作面上方頂板石灰?guī)r巖層即開始初次垮落，后期隨著工作面推進，上覆頂板巖層周期性垮落引起工作面周期來壓?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明周期來壓步距約為20 m，與鄰近工作面未進行深部爆破相比，懸頂面積明顯減小，深孔爆破對于迫使工作面頂板堅硬巖層及時垮落，減小頂板巖層懸頂面積效果良好，有利于巷道圍巖穩(wěn)定，對于工作面安全開采起到積極的影響作用。

圖3 工作面液壓支架工作阻力變化曲線

4 結(jié)論

針對夏店煤礦3#煤層厚度大，上方堅硬頂板巖層厚度大不易垮落的問題，通過理論分析及數(shù)值模擬的方法，確定了工作面前方34～69 m 范圍內(nèi)是垂直應(yīng)力及能量集中區(qū)域，提出了在工作面前方50 m采用深孔爆破處理頂板巖層，在上順槽、下順槽及工藝巷分別布置爆破孔，共布置1#～8#爆破孔，其中1#、4#、5#、8#爆破孔深度為16 m，與豎直方向夾角為15°，2#、3#、6#、7#爆破孔深度為21 m，與豎直方向夾角為45°。通過在3119 工作面進行現(xiàn)場試驗，深孔爆破后，工作面推進46 m 左右時，工作面上方石灰?guī)r初次垮落，頂板巖層懸頂面積明顯減小，有利于回采過程中巷道圍巖穩(wěn)定。