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某综采工作面初采期间的顶板控制技术
2018-07-24
当开采盘区内首个工作面时,老顶较为坚硬且较厚,初次来压步距较大,初次来压时 飓风灾害较为严重,采用常规的深孔预裂爆破方法缩短初次来压步距效果不明显。为此,采用切眼 (工作面)预裂断顶和两巷预裂断顶联合方法进行强制放顶,放炮后通过对首采工作面支架上部下 位岩层冒落情况以及支架载荷随工作面推进的变化特点分析预裂爆破效果,根据实际情况进行多 次预裂爆破,从而安全平稳度过顶板初次来压。
Serial No. 590 June. 2018 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 590期 2018 年 6 月第 6 期 某综采工作面初采期间的顶板控制技术 刘晓强ꢀ 何ꢀ 毅ꢀ 刘ꢀ 涛ꢀ 王大威 ( 山西江阳工程爆破有限公司) ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 当开采盘区内首个工作面时,老顶较为坚硬且较厚,初次来压步距较大,初次来压时 飓风灾害较为严重,采用常规的深孔预裂爆破方法缩短初次来压步距效果不明显。 为此,采用切眼 工作面)预裂断顶和两巷预裂断顶联合方法进行强制放顶,放炮后通过对首采工作面支架上部下 ( 位岩层冒落情况以及支架载荷随工作面推进的变化特点分析预裂爆破效果,根据实际情况进行多 次预裂爆破,从而安全平稳度过顶板初次来压。 关键词ꢀ 初次来压ꢀ 切眼ꢀ 预裂爆破ꢀ 顶板控制 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 06. 069 ꢀ ꢀ 随着科学技术的发展,爆破技术的发展越来越 式中,L0 为初次来压步距,m;h 为基本顶厚度,m;σt 为抗拉强度,MPa;q 为均布载荷,MPa。 计算得出 L0 =130 m。 精细化、科学化,爆破技术在煤矿中的应用得到广泛 的发展,尤其在控制顶板来压方面,爆破技术的应用 越来越广,通过爆破技术可有效控制初次来压步距 当基本顶为 25. 41 m 的中砂岩、细砂岩,根据关 键层理论预测该工作面的初次来压步距受煤层上部 岩层的影响, 总厚度为 28. 37 m, 均布载荷 数 值 为 0. 709 MPa。 [ 1] 和初次来压强度 ,可有效防治顶板来压时的飓风 灾害,大大减小人员伤亡和设备损坏风险。 1 ꢀ 工程概况 # 某矿 3 煤顶板由中砂岩或中砂岩细砂岩所组 成,总体较硬,且会产生强烈的顶板来压,厚 17. 32 26. 28 m,中砂岩平均厚 19. 25 m,中砂岩、细砂岩 若把煤层上部 12. 18 m 厚中砂岩作为工作面老 顶(基本顶),则初次来压步距约 67. 84 m;若把煤层 上部中砂岩和细砂岩共同作为基本顶,厚 25. 41 m, 等效 抗 拉 强 度 为 9. 39 MPa, 则 初 次 来 压 步 距 约 130. 73 m。 ~ 所组成的岩层平均厚 25. 41 m。 煤层埋深为 145. 72 3 ~ 164. 28 m,平均为 152 m,覆岩容重取 25 kN/ m 。 # 现准备开采 3 煤层盘区首采工作面,采高为 3. 5 m, 工作面长 240 m。 岩石力学参数见表 1。 表 1ꢀ 岩石力学参数 综合以上预测分析结果,该工作面初次来压步 距在 67. 84 ~ 130. 73 m。 考虑安全方面与地质条 件,该工作面的初次来压步距在 85 ~ 105 m,初次来 压步距较大,该工作面将会有强烈的初次来压,必须 治理。 岩石类型 中砂岩 抗拉强度/ MPa 抗剪强度/ MPa 11 24 36 细砂岩 7. 9 2 ꢀ 顶板爆破预裂强放方法 由于初次来压步距较大,初次来压时将会给矿 ꢀ ꢀ 根据关键层理论可知,当老顶赋存条件不同时, 初次来压步距的预测结果也不同。 井带来严重的飓风灾害,威胁井下工人的生命安全。 此工作面顶板中砂岩的硬度较大、厚度大,整体性较 好,采用深孔预裂爆破方法处理顶板,对缩短初次来 压步距的效果不明显,势必造成老顶长时间悬顶,不 当基本顶为 19. 25 m 中砂岩时,由于砂岩顶板 较厚,在计算初次来压步距时,应考虑为嵌固厚梁模 型, 上 部 有 效 载 荷 岩 层 厚 18. 2 m, 均 布 载 荷 为 0. 455 MPa。 [ 3-4] [ 2] 易垮落 。 因此,采用切眼(工作面) 预裂断顶和 此时,初次来压步距可按式(1)计算 : 1 / 2 两巷预裂断顶相结合的爆破方案,以增强顶板的预 L0 = h·(2σt / q) , (1) [ 5] 。 裂爆破处理效果 2 . 1ꢀ 综采面切眼(工作面)顶板深孔预裂爆破 由于该工作面采高为 3. 5 m, 采用采高的 3 ꢀ ꢀ 刘晓强(1984—),男,技术部部长,工程师,030041 山西省太原 市尖草坪区西留路 18 号。 2 53 总第 590 期 现代矿业 2018 年 6 月第 6 期 [ 5] 倍 作为处理顶板高度的原则,即 10. 5 m。 工作面 长 240 m,在靠近联巷侧距中线 1 m 处、平行切眼 工作面)长度方向布置一排钻孔,孔间距为 14 m, 装药系数取 0. 6,炮泥装填系数取 0. 4,并保证 # 炮 孔 的 填 塞 质 量。 两 巷 内 1 炮 孔 装 药 长 度 ( 为 31. 59 m, 炮 泥 长 度 21. 06 m, 线 装 药 量 # 选用 ϕ110 mm 钻 头, 因 顶 板 处 理 的 垂 直 高 度 为 10. 5 m,考虑到装药方便,采用 30°仰角钻孔,则 切眼(工作面)内炮孔的长度为 21 m,炮孔水平投影 长度为 18. 19 m,切眼(工作面) 顶板预裂爆破的钻 孔布置见图 1。 取 5. 97 kg / m,该孔装药量为 188. 59 kg。 2 炮孔装 药长度为 32. 46 m,炮泥长度为 21. 64 m,线装药量 取 5. 97 kg / m,该孔装药量为 193. 77 kg。 3ꢀ 工作面强制爆破初次放顶和初次来压预 防 ꢀ ꢀ 为达到放顶效果,防止初次来压时压力较大而 产生飓风灾害事故,进行 3 次放炮。 第一次放炮时间为工作面推进 10 m 时,采用工 作面和两巷内布置炮孔的方式。 工作面机尾推进至 4 0 m 时,进行第二次放炮,第二次放炮时,工作面共 布置了 7 个斜长 15 m、倾角 30°的炮孔,分别等距离 14 m)布置在靠近机尾段的 7 个支架的大柱上方, 图 1ꢀ 切眼顶板爆破钻孔布置(单位:mm) ( 在切眼(工作面) 内 240 m 范围内进行深孔预 裂爆破放顶,总共布置 18 个钻孔。 由于煤层上部砂 岩较厚,并且硬度较大,故选用乳化炸药。 考虑到炮 孔直径为 110 mm,选用药包(卷)规格为 ϕ100 mm× 并在回风顺槽(机尾侧)内布置 2 个炮孔,距离工作 面 35 m,炮孔斜长 50 m,倾角为 25°,第二次放炮后, 工作面支架上部的矸石充填效果较好,顶板的垮落 高度为 7 ~ 10 m。 5 00 mm。 为增加预裂爆破效果,装药系数取 0. 6,炮 根据预测,工作面推进 85 m 后会发生初次来 压,在工作面推进至 80 m 时,对工作面机尾附近 4 个支架后部的采空区顶板进行深孔爆破。 每个支架 上方布置 2 个孔,炮孔斜长分别为 50,40 m,垂深分 别 25, 20 m, 炮 孔 倾 角 均 为 30°, 炮 孔 装 药 系 数 为 0. 6。 钻眼时,8 个孔中有 6 个塌孔,说明经过第 一次和第二次放炮后,工作面及采空区上部的砂岩 顶板已经可以自然冒落。 此时仅对已钻成的 2 个炮 孔进行爆破。 放炮后,该处采空区顶板垮落高度在 泥装填系数取 0. 4。 炮孔的总长度为 21 m,装药长 度为 12. 6 m,炮泥堵塞长度为 8. 4 m,线装药量为 5 . 97 kg / m,每孔总装药量为 75. 22 kg。 雷管选用煤 矿许用毫秒延期电雷管,并保证最后一段雷管延期 不超过 130 ms。 2 . 2ꢀ 综采面两巷预裂爆破断顶 为防止两巷炮孔与切眼(工作面) 炮孔贯穿并 达到较大范围的预裂效果,在两巷内距离切眼 40 m 位置处各打 2 个炮孔。 钻机自身高度取 1. 5 m,为 # 保证爆破效果和安全施工,下部底层 1 孔距煤层的 1 1 m 以上,说明在工作面长度范围内的基本顶均已 # 最终高度为 6. 95 m;顶层 2 孔距煤层的最终高度为 跨落,为随采随冒创造了有利的自然条件,垮矸跟架 及时,基本上没有大于 2 m 的悬顶现象,顺利度过该 作面初次来压。 1 4. 2 m,炮孔底部距离切眼(工作面)煤壁水平距离 均为 52 m,钻孔的中心线与煤壁在水平面的投影相 # 垂直,巷道宽度取 4. 5 m。 对于底层 1 孔,仰角取 4 ꢀ 防治效果分析 # 9 1 °,钻孔长度为 52. 65 m;对于顶层 2 孔,仰角取 6°,钻孔长度为 54. 10 m。 钻孔布置见图 2。 工作面开始推进时,在工作面长度的中部设置 1 条测线,共 3 套支架,支架的平均载荷与推进距离 的变化曲线见图 3。 第一次放炮后,工作面机头段的顶板垮落高度 约 6 m,但是在机尾段的 12 m 范围内存在部分顶板 未垮落的现象,根据支架载荷分析表明,第一次放炮 后,支架载荷明显下降,随工作面的推进,支架载荷 增加的速度有所下降。 第二次放炮后,机尾段的支架、工作面支架上部 的矸石充填效果较好,顶板的垮落高度为 7 ~ 10 m, 支架载荷趋于缓和下降。 图 2ꢀ 两巷断顶爆破钻孔布置(单位:mm) 2 54 ꢀ ꢀ 刘晓强ꢀ 何ꢀ 毅等:某综采工作面初采期间的顶板控制技术ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 6 月第 6 期 第三次放炮后,支架载荷无明显升高,说明经过 在切眼(工作面) 和两巷进行 3 次爆破强制预裂放 顶,工作面的第一次放炮后,除机尾外,其他地方预 裂爆破效果良好;第二次放炮后,工作面机尾段的架 后矸石充填效果较好;工作面长度范围大部分放顶 效果良好,顶板断裂或产生足够裂隙,老顶能够冒 落,达到了安全开采的目的。 在顶板初次来压时没 有出现冲击载荷,来压过程平静缓和,完全避免了飓 风伤人和损坏设备事故,初次来压的灾害预防效果 非常明显。 切眼(工作面) 和两巷预裂断顶联合技 术可为今后综采工作面首采期间的顶板初次来压控 制提供参考。 前两次放炮后,顶板已基本自行跨落。 推进到 90 m 初次来压时,支架载荷虽然达到了 安全阀开启压力,表现明显的来压现象,但是顶板初 次来压时并没有冲击载荷出现,来压过程平静缓和, 完全消除了飓风伤人和损坏设备事故的隐患,预裂 爆破强制放顶有效预防因初次来压步距较大而引起 安全事故。 经过 3 次强制放顶,工作面顶板垮落基 本上随着液压支架随采随冒,顶板垮落高度在 6 m 左右。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ [ 1]ꢀ 徐长红. 复杂地质条件下软煤层大采高围岩控制技术研究 D]. 太原:太原理工大学,2012. [ 2]ꢀ 罗ꢀ 宁,炮采面爆破参数优化的研究[D]. 淮南:安徽理工大 学,2007. 3]ꢀ 钱鸣高,石平五. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州:中国矿业大 学出版社,2003. 图 3ꢀ 工作面支架载荷与推进距离变化曲线 4]ꢀ 谭云亮. 矿山岩层运动非线性动力学特征研究[D]. 沈阳:东 北大学,1996. 5 ꢀ 结ꢀ 论 对坚硬顶板情况下盘区内首采工作面开采时, 5]ꢀ 史宏宇. 综采面厚层坚硬顶板强制放顶技术研究[J]. 山西煤 炭,2010,30(8):52-54. 首先通过计算并结合实际确定初次来压步距范围, ( 收稿日期 2018-03-14) ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ ( 上接第 240 页) 2)必须在二采区回风大巷构筑通风设施,保 证局部通风机前有足够风量。 3)开启局部通风机后,全面测定并调控东翼 末端、回风立井风量温度等参数。 4)爆破完待炮烟吹散 1 h 后,检查立井内通 风、有害气体等情况,确定无危险后,方可进入。 两级风机时,能满足室外最低温度时立井施工需要。 ( 6ꢀ 结ꢀ 论 (1)通过井下建立增压气室,改变立井风流方 ( 向,使得井筒在冬季施工不结冰。 (2)根据外界温度变化情况,开启局部通风机 的一级或两级,在保证出口温度、风量的前提下,达 到了节能的目的。 ( 5 ꢀ 应用效果 在 0 ℃、ꢁ5 ℃、ꢁ10 ℃、ꢁ15 ℃、ꢁ20 ℃ 时,分别 (3)对于冬季井筒施工存在结冰情况的矿山, 尽可能避免采用耗能高、操作复杂的方法,可尽量利 用矿山自身条件,将井下热能转换利用。 开启局部通风机的一级、两级测定立井风量及出口 温度,结果见表 1。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 表 1ꢀ 不同温度下立井风量及出口温度测定结果 [ [ [ [ [ 1]ꢀ 国家安全生产监督管理总局. 煤矿安全规程[ M]. 北京:煤炭 工业出版社,2016. 空气 温度 井底 温度 / ℃ 开启一级风机 开启两级风机 出风口温度 风量 出风口温度 风量 2]ꢀ 中国煤炭工业劳动保护科学技术学会. AQ 1028—2006ꢀ 煤矿 井工开采通风技术条件[S]. 北京:中国标准出版社,2006. 3]ꢀ 孙树亮,曹ꢀ 彬. 保证内蒙冬季立井井筒装备安全施工的保暖 方案及实践[J]. 建井技术,2014(10):164 / ℃ 3 3 / ℃ / (m / min) / ℃ 12 11 11 9 / (m / min) 0 15 14 14 12 11 10 6 410 350 330 310 270 690 650 580 430 380 ꢁ 5 ꢁ ꢁ ꢁ 10 15 20 3 4]ꢀ 赵志强,贺新勋,乔张彪. 基建矿井立井井筒装备冬季施工技 术[J]. 中州煤炭,2012(6):77. 1 ꢁ1 7 5]ꢀ 于润沧. 采矿工程师手册[M]. 北京:冶金工业出版社,2009. ꢀ ꢀ 由 表 1 分 析, 开 启 一 级 风 机 时, 在 地 面 温 (收稿日期 2018-03-10) 度ꢁ5 ℃以上的情况下,风量、温度均满足要求;开启 2 55
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