综采放顶煤模型

[摘 要]针对窑街三矿煤层硬度大及采出率低等现状，基于三矿煤层赋存特征及开采技术条件，应用爆破理论及顶煤垮落规律，分析了深孔爆破技术在综采放顶煤工作面的应用情况，结果表明针对窑街煤矿煤层硬度大，顶煤不易垮落，工作面瓦斯浓度高条件下深孔爆破炮孔直径为60mm，炮孔深度为40m，按照此深孔爆破设计方案，回采率得到了最优提升，最大增加9.9%；瓦斯超限次数降低了80%以上。此研究为同类矿井顶煤弱化、瓦斯治理提供技术依据。

[关键词]深孔爆破，爆破理论，顶煤弱化，瓦斯治理

中图分类号：TD235.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0061-02

1 引言

近年来，综采放顶煤作为在煤矿中主要采煤技术，得到广泛应用，据资料统计我国煤矿80%以上采用该技术，而坚硬的顶煤能有效充分垮落，是提高回采率的关键。目前对于综放工作面顶煤弱化的问题已经进行了较为深入研究。刘健[1]等人研究了深孔爆破在特厚高瓦斯坚硬煤层中的弱化效果；马文强[2]等通过udec模拟工作面推进过程中顶煤冒落情况，表明顶煤弱化后顶煤冒放性提升；来兴平[3]等人研究了一种用于顶煤弱化的静态破碎剂，大大促进了煤层裂隙的发育。而爆破手段可以更大程度增加煤层裂隙，促进煤层弱化，针对急倾斜坚硬顶煤，采用深孔爆破，在深度与广度上增加裂隙发育程度，促进顶煤冒落，从而解决回采率低、瓦斯超限等问题。

本文以窑街三矿5521-18工作面深孔爆破顶煤为例，采用深孔爆破理论，通过现场试验，提高裂隙区域范围，增加顶煤冒落性，降低瓦斯超限率，为工作面安全回采及提高回采率提供及时保障。

2 概况

窑街三矿5521-18工作面位于五采区东北部，采深410m，煤层厚度40-80m，倾角52-68°，为急倾斜特厚煤层，5521-18工作面走向长830m，倾斜宽85-40m，采用走向长壁综采放顶煤采煤方法，分层平均厚度11.2m，回采2.8m，放煤8.4m，采放比约1：3。由于煤层硬度大，普氏硬度2.5，工作面顶煤坚硬，不易自然垮落，造成大量落煤损失；工作面回采过后，采空区悬顶，在周期来压后采空区瓦斯大量涌出，造成工作面瓦斯超限或发生瓦斯事故；采空区顶煤不能及时垮落，新鲜风流从上下隅角不断涌入采空区，造成采空区浮煤自燃，涌出大量有害气体，致使工作面发火。

3 爆破理论

爆破的破碎区和裂隙区主要由爆破半径决定，破碎区半径由下式计算[4]：

根据理论研究与工程实践，破碎区半径一般为炮孔半径的5-10倍，裂隙区半径一般为炮孔半径的15-25倍。针对急倾斜坚硬煤层，根据现场实际情况与试验计算破碎区域。

4 工程实践

4.1 深孔顶煤预裂技术方案

根据爆破理论及索永录[5-8]等对深孔爆破炮孔参数研究，结合现场情况，设计爆破钻孔参数进行试验。

以工作面皮带巷为试验场地，每一个钻场施工3个孔，炮孔直径径60mm，孔深40m。三个钻孔垂直于巷道走向，仰角分别为20°、30°、45°，进风巷顶板钻孔布置如图1所示。每孔装药20.4kg，封泥长度15m，每个爆破孔采用两个电雷管并联引爆，每次起爆1个炮眼。

由于现场无法进行破碎区域和裂隙区域范围的测量，因此我们通过现场的出煤率进行对比反映设计方案的有效性。

4.2 效果检验

1）回采率变化

根据深孔爆破钻孔设计方案应用于工作面回采，分别得出连续五个月前后工作面回采率变化。如图1所示，图中实线表示未使用深孔爆破钻孔设计方案连续五个月的工作面回采率，虚线表示使用深孔爆破钻孔设计方案后连续五个月的工作面回采率。以一个月为一个阶段。

由图1容易看出，使用深孔爆破钻孔设计方案之前，回采率最大为90.2%，有将近10%的煤炭资源的浪费，当使用该设计方案后，回采率得到了大大的提升，最大提升10%左右，回采率平均保持在95%左右，极大地对急倾斜坚硬煤层的煤炭资源进行了回收，给矿企也带来了极大地经济效益。

2）瓦斯涌出量超限次数

由于窑街三矿为急倾斜坚硬煤层，回采过程中瓦斯容易积聚，经常造成瓦斯浓度超标，影响安全生产。经过深孔爆破技术实施以后，明显发现瓦斯浓度下降，超限次数明显下降，对工作面回采和安全带来了极大的方便。图2表明了使用深孔爆破钻孔设计方案前后连续5个月工作面瓦斯浓度和超限次数变化。

由图2容易看出，深孔爆破钻孔方案实施以后瓦斯浓度明显降低，方案实施前瓦斯浓度经常超标，方案实施以后浓度急剧降低，均处在0.5水平以下。瓦斯超限次数也明显降低，其中3个月都未出现瓦斯浓度超标问题。为工作面的安全生产和员工生命安全提供了极大地保障。

5 结论

（1）针对窑街三矿的急倾斜坚硬煤层，根据深孔爆破理论研究与现场情况结合，确定深孔爆破參数炮孔直径为60mm，炮孔深度为40m。

（2）根据深孔爆破设计方案的应用，窑街三矿工作面回采率最大提升9.9%，瓦斯浓度超限次数下降80%。此深孔爆破方案的应用，为窑街三矿工作面的回采提供极大地经济效益，有力的保证了工作面的安全回采。

参考文献

[1] 刘健.刘泽功.高魁.等.深孔爆破在综放开采坚硬顶煤预先弱化和瓦斯抽采中的应用[J].岩石力学与工程学报，2014，33：3362-3367.

[2] 马文强.王同旭.马凯.高韧性煤层综放开采难冒放机理及弱化效果研究[J].煤炭科学技术，2015，43：56-60.

[3] 来兴平.李林耀.单鹏飞.等.一种用于急倾斜煤层顶煤致裂的静态破碎剂效应试验[J].西安科技大学学报，2013，33：128-130.

[4] 戴俊.柱状装药爆破的岩石压碎圈与裂隙圈计算[J].辽宁工程技术大学学报[J].2001，20：145-146.

[5] 索永录.坚硬煤层综采放顶煤开采技术[M].西安：陕西科学技术出版社，2001：86-103.

[6] 索永录.坚硬顶煤弱化爆破的宏观损伤破坏程度研究[J].岩土力学.2005，26：894-895.

[7] 杨相海，张杰，余学义.强制放顶爆破参数研究[J].西安科技大学学报，2010，30（3）：287–290.

[8] 郭文章，王树仁，陈寿峰.节理岩体爆破数值模型及模拟研究[J].岩土力学，1998，19：1-4

作者简介

王爱红：（1968- ）男，甘肃永登人，地质工程师，1990年毕业于甘肃煤炭工业学校，现从事煤矿瓦斯地质技术管理工作。