厚层坚硬顶板强制放顶研究
胡睿1，杜计平1，张田1，王永坤2**
作者简介：胡睿，（1986-），男，硕士研究生，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究。
通信联系人：杜计平，（1956-），男，中国矿业大学教授、博士生导师，主要研究方向:煤矿深井开采技术，
特殊和困难条件下开采技术. E-mail: cumthurui@163.com
（1. 中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008；
5 2. 中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221008）
摘要：厚层坚硬顶板由于强度高，整体性好，采煤过程中顶板岩体不能随采煤垮落而充填采
空区，工作面和采空区可能形成较大面积悬空顶板，一次性垮落的面积大，时间短，破坏力
极强，为了减少当悬空顶板达到一定面积时突然来压断裂，瞬间大面积顶板一次垮落而形成
较大灾害。本文以某矿15106 工作面坚硬顶板条件为背景，介绍了超前深孔预爆破松动或预
10 裂顶板技术。
关键词：厚层；坚硬顶板；一次垮落；预爆破
 0 引言
坚硬顶板在煤层开采后形成大面积悬露而不垮落的顶板岩体，较之普通采场矿压显现更
30 为强烈，其初次垮落步距一般大于40m，顶板大面积的垮落，经常给采场乃至矿井造成严重
的破坏，甚至发生矿震 ，因而对工作面安全高效开采形成极大的威胁。所以在各种顶板类
型尤其是在厚层坚硬顶板条件下，如何正确选择采煤方法及采场围岩控制技术，预防顶板事
故、保证安全作业，是摆在我国煤矿工作者面前的一个严峻课题[1]。本文以某矿15106 工作
面坚硬顶板为背景，分析了超前深孔爆破松动原理，提出了合理的超前深孔爆破技术，放顶
35 效果显著，保证了煤矿的安全生产。
1 工作面概况
某矿15106 工作面煤层顶板为平均厚度为15 m 的坚硬石灰岩顶板，工作面长度设计为
130m，采用综合机械化放顶煤采煤法，采高4.8m，机采高度为2.4m，放煤高度为2.4m。
煤层顶板第一层为石灰岩，黑灰色，产丰富的龟化石，中下部岩芯破碎，裂隙发育，被方解
40 石充填。厚度2.5 m，第二层为泥岩，黑色，致密，性脆厚度为10.31 m。
 2 强制放顶的目的和作用机理
2.1 强制放顶的目的
主动地防止顶板大面积冒落的基本原理是减小悬板面积，降低能量聚积[2]。其具体措施
为：改变顶板岩层的物理力学性质，降低岩体的力学强度，一般通过高压注水来实现；改变
45 顶板的力学条件，减小初次来压和周期来压的步距，一般通过强制放顶来实现。
2.2 强制放顶的作用机理
初次来压阶段，老顶的悬露面积最大，危害最严重。若将老顶简化成两端固定的梁来分
析，其极限跨距为[3]：
L=h 2R/q 固
50 式中，h 为老顶岩层厚度；R 为老顶的极限抗拉强度；q 为作用在老顶岩梁上的均布载
荷。
如果在老顶岩梁中拉一条深度为h 的槽，使两端固定的岩梁变为悬臂梁，其极限跨距
L/为
L' =h R/ 3q
55 显然，拉槽后老顶岩梁的极限跨距可明显减小，即老顶初次来压步距可明显减小。当拉
槽置不同时，效果电不同，在工作面开切跟部位拉槽时，老顶韧次来压步距最小。
3 强制放顶的现场实施
3.1 炮孔的布置
坚硬顶板两巷深孔爆破的炮孔布置主要分为两个部分，一个是切断巷道帮上部与顶板的
60 连接；另一个是切断顶板与顶板的连接。如图1 所示。
回
风
平
巷
运
输
平
巷
切断巷道帮
与顶板的连接
切断顶板
与顶板的连接
工作面
图1 运输平巷和轨道平巷内超前爆破炮孔布置示意图
运输平巷和回风平巷每隔20m 布置一组炮孔，每组为8 个炮孔，8 个炮孔分上、下两层，
65 每层为4 个炮孔，上层炮孔与煤层垂直距离为15m，下层炮孔与煤层垂直距离为10m。钻孔
布置参数，包括炮眼长度、仰角、水平角、孔径、装药深度、装药量、封泥长度、药卷个数
以及导爆索长度，如图2、图3、图4 所示和表1 所列。
 1m
1m
3.3m
10m
15m
基本顶
直接顶
煤
平巷上帮
C
运输平巷
10.31m
1
C 2
0.2m 2.51m
伪顶
5.3m
图2 运输平巷超前钻孔Ⅰ-Ⅰ剖面图
运
输
平
巷
风
平
巷
回
6m
22°
34°
71°
78°
A1A2 B1B2
C1C2
D1D2
8m 6m
40m 50m 40m
孔口水平间距为1m
16m
20m
Ⅰ
Ⅰ
9.2m
预裂爆破第一组钻眼位置
预裂爆破第二组钻眼位置
Ⅱ
Ⅱ
25.2m
70
图3 两平巷超前钻孔平面布置图
 5.3m
1.6m 3.4m 4.2m
7.6m
16m 9.2m
25.2m
20m 20m
53m 43m 3 2 1
0.2m 2.51m
伪顶
基本顶
煤
直接顶
10.31m
1-切眼爆破时液压支架距离煤壁4.2m 2-切眼宽度4.2m
75 3-切眼爆破时工作面煤壁距开切眼一侧9.2m 4-预裂爆破第一组钻眼位置
5-预裂爆破第二组钻眼位置
图4 回风平巷超前钻孔Ⅱ-Ⅱ剖面图
表1 两平巷内步距放顶各炮眼参数与装药量
位置
炮眼
编号
炮眼长
度
/m
仰角
/°
水平
角/°
孔径
/mm
装药
深度
/m
装药
量/kg
封泥
长度
/m
药卷个
数
/卷
导爆
索/m
A1 30.2 38.9 22 60 20 40 10.2 40 60
A2 28.1 29.6 22 60 20 40 8.1 40 60
B1 32.3 36.6 34 60 22 44 10.3 44 60
B2 30.3 28.3 34 60 20 40 10.3 40 60
C1 49.5 30.2 71 60 36 72 13.5 72 100
C2 48.2 24.7 71 60 35 70 13.2 70 100
D1 49.5 31.1 78 60 36 72 13.5 72 100
D2 48.2 25.5 78 60 35 70 13.2 70 100
运输
平巷
小计 316.3 — — — 224 448 92.3 448 640
A1 30.2 32.4 22 60 20 40 10.2 40 60
A2 28.1 21.5 22 60 20 40 8.1 40 60
B1 32.3 25.9 34 60 22 44 10.3 44 60
B2 30.3 15.7 34 60 20 40 10.3 40 60
C1 49.5 8.3 71 60 36 72 13.5 72 100
C2 48.2 1.4 71 60 35 70 13.2 70 100
D1 49.5 8.6 78 60 36 72 13.5 72 100
D2 48.2 1.4 78 60 35 70 13.2 70 100
回风
平巷
小计 316.3 — — — 224 448 92.3 448 640
合计 — 632.6 — — — 448 896 184.6 896 1280
80 注：1、仰角是以水平面为参考面；2、水平角是以巷道煤壁为参考面；3、水平角与仰角误差在±2°内；4、
上面仰角是以煤层倾角为13°计算的，如煤层倾角发生变化时，应重新计算。
3.2 钻孔时间
由于回采巷道是单巷掘进，为避免运输平巷中铺设胶带后再钻孔引起的钻孔困难，运输
85 平巷中的预裂爆破孔在平巷内胶带输送机安装前一次钻好，随工作面前移而逐段装药，逐段
爆破。
3.3 炮孔层数和排数的确定
因顶板需处理的高度为16m，而炮孔的影响范围大约为炮孔直径的50~60 倍，炮孔直径
为60mm，影响直径为3000mm~4000mm，因此，需要采用两层炮孔使处理的高度达到16m，
 90 即炮孔采用两层布置。为了能达到很好的爆破效果，在爆破的每个部分都采用双排炮孔，因
此，每个爆破点共需布置8 个炮孔[4]。
3.4 钻具
由于打眼量较大，打眼地点相对固定，眼深较大，所以选用石家庄中煤装备制造有限公
司的ZL-100 型全液压钻机，Φ42mm 钻杆，钻头直径60mm，三翼钻头，成孔直径约61mm，
95 该钻机、钻杆分别如图5、图6 所示。
图5 ZL-100 型钻机 图6 钻杆
100 3.5 炸药和雷管
使用2 号煤矿许用乳化炸药，药卷直径Φ50×500mm，1.0kg/卷，使用煤矿许用8#普通
瞬发电雷管，使用煤矿许用导爆索，规格为Φ5.2~5.5mm。
3.6 装药和封孔
通过生产实践经验总结，装药工作一般分两部分。一部分在地面实施，主要是在地面提
105 前两天将药包、炮泥、导爆索安装在PVC 管内。
装药采用内径为50mm 的PVC 管作为炸药的载体，装药方法与切眼60mm 的钻孔相同。
3.7 两巷超前深孔预爆破时工作面位置
3.7.1 第一组深孔爆破预裂顶板钻孔时间或位置
最优的时间是在工作面开切眼前，如不能实施，也可以在工作面开切眼后，未装液压支
110 架前，如不能实施，也可在工作面开切眼内安装液压支架后，工作面推进前。
3.7.2 第一组以后的深孔爆破预裂顶板钻孔时间或位置
第一组以后的深孔爆破预裂顶板钻孔爆破时间或位置应在钻孔孔口距工作面35m左右，
当钻孔孔底位置离煤壁水平距离最小10m 时，开始装药（如打孔速度较快，能超前工作面
尽量超前），离煤壁最小9m 时（对支架无影响最小距离）起爆。连线方式采用串并联连线。
115 3.8 放炮
每次放炮前工作面所有支架必须处于完好工作状态，各种阀组、乳化液管接头等必须完
好，支架移成一条直线，并要接顶良好，支架升架后要达到初撑力要求，超前支护必须符合
作业规程要求，否则不得放炮。装药和放炮前必须切断工作面及上下平巷所有电器设备电源。
放炮前必须对工作面和回风巷道及整个回风系统内的煤尘进行彻底清洗，每次装药和放
120 炮前必须对工作面和回风巷道及放炮地点的瓦斯和煤尘浓度进行检测，如不符合放炮要求，
 严禁装药放炮[5]。
放炮人员必须在距放炮地点300m 安全距离以外的进风巷道联巷内进行放炮工作。炮烟
回风系统内的所有人员必须撤出[6]。
4 爆破放顶效果评价
125 从分析支架工作阻力数据和现场观测得出直接顶初次垮落步距为13.7m，直接顶垮落时
支架最大阻力平均值为5372kN，平均加权阻力为4128kN，垮落步距较小，且来压强度也不
大，没有对支架造成冲击[7]。
从现场观测来看，直接顶初次垮落后能随采随垮，垮落岩石比较破碎，偶尔也有厚60cm、
面积约10m2 左右的大块垮落，在支架后方3~4m 处垮落高度超过支架3~4m，从两端头看出，
130 在支架后方7m 后，顶板垮落高度大约有7~10m，与没有垮落的顶板相接触[8]。
从以上分析可知，爆破充分增加了直接顶破碎度及裂隙发育程度，导致直接顶垮落情况
较好，这为工作面的安全生产奠定了基础。
5 结论
实践证明采取两巷超前深孔预爆破弱化顶板方案，明显的改善了工作面及巷道的矿压显
135 现强度，减少当悬空顶板达到一定面积时突然来压断裂，瞬间大面积顶板一次垮落而形成较
学术论文网Tag：代写论文 代写代发论文 代写职称论文 论文发表 代发论文