综采工作面初采放顶设计优化研究
煤层综采工作面初采放顶作为采煤行业较为成熟的工艺，由于具有产量比较大，生产功效比较高等诸多优点，在国内许多矿区都得到广泛的应用。但在工艺实施过程中，初次放顶作为其生产作业的重要环节，特别是对于坚硬顶板煤层，初次放顶设计和作业的意义显得尤为重要。初采作业时，如果作业面形成大面积的悬顶，可能引起顶板垮落，其结果是一方面产生强力的冲击地压，另一方面还可能导致采空区大量的瓦斯气体挤出，致使作业面瓦斯浓度急剧上升超标超限，从而严重威胁企业的安全生产，甚至导致发生安全事故。因此，对存在坚硬顶板情况下综采作业面，开展初采前顶板设计技术研究，并根据现场实际情况对爆破具体参数和工艺不断改进优化，有助于解决初采期间工作面顶板管理问题，并保证矿井安全生产具有十分重要的意义。
一、寺河矿3#煤层顶底板围岩赋存概况
寺河矿属于典型的煤与瓦斯突出矿井，瓦斯含量较高且压力较大，综采工作面采用一次性采全高大采高采煤工艺，单产水平高，生产强度大，综采工作面生产期间瓦斯绝对涌出量高，极容易造成瓦斯超标超限问题，不仅制约着生产作业，还严重威胁着人民生命和矿井的安全。
寺河矿3#煤层平均厚6.0 米，煤层倾角1°～14°，煤层平均倾角5°左右。煤体黑色，结构形式为条带状，中部夹带厚度为0.2 米泥岩，呈现金属光泽，见细小纵向方解石脉。基本顶为中粒砂岩，颜色呈浅灰色，成分主要含石英、长石等，质地较为坚硬，内含黑色矿物，基本顶厚度为7.10 米；直接顶是砂质泥岩，质地不太坚硬，内含多种植物化石，直接顶厚度为2.43 米；伪顶为炭质泥岩，颜色为黑色，质地较软，伪顶厚度0.20 米。基本底为泥岩，质不太坚硬，局部夹薄层状砂泥岩、粉砂岩，直接底厚度为7.52 米。
二、初采前顶板设计分析研究
1.顶板预裂爆破卸压理论
综采工作面初采前顶板预裂爆破的目的，主要体现在以下几个方面。一是减弱煤层各类顶板强度，二是缩短各类顶板垮落步距，三是减小各类顶板施压强度。从而保证采掘生产中工作面的安全生产，同时在一定程度上增加顶煤回收量。预裂爆破作为一种顶板岩层内部无自由面爆破方式，主要借助在巷道内通过向煤层上方坚硬顶板钻孔爆破的形式来实施。炸药爆炸瞬间产生的强大冲击波会直接作用在钻孔周围介质上，周围介质由于承受压力过大而破碎，使爆破周边区域产生粉碎区和裂隙区。整个预裂爆破作业实施的关键因素，主要是通过爆炸动压的震裂效应和静压爆生气体的气楔效应，使顶板岩体产生裂隙或原先存在的裂隙扩大，造成顶板完整性受到一定程度上的破坏，从而降低顶板岩体强度，进而达到初次放顶的目的。
2.初采顶板预裂爆破参数设计
根据围岩赋存概况，并结合5306 工作面生产作业实际情况分析，对大采高5305 工作面顶板预裂爆破进行优化设计，主要包括炮眼布置方式和钻孔施工工艺。
a.炮眼布置方式及要求
优化后，大采高工作面初采前对顶板进行预裂爆破，切眼范围内共布置6 排炮眼，炮眼钻孔的具体布置情况如下：
炮眼钻孔布置1：在切眼内距离尾巷侧帮1.0 米处，设计施工炮眼两排，炮眼排距控制在0.8 ～1.0 米之间，炮眼之间距离1.75 米，炮眼深度5.5 ～6 米之间，钻孔直径42 毫米，炮眼钻孔角度与工作面顶板呈75 度。
炮眼钻孔布置2：在切眼内距离工作面煤壁1.0米处，设计施工炮眼两排(每排170 个，共340 个)，炮眼排距控制在0.8 ～1.0 米之间，炮眼之间距离1.75 米，炮眼深度5.5 ～6 米之间，钻孔直径42 毫米，第一排炮眼钻孔角度与顶板呈90 度，第二排炮眼钻孔角度与顶板呈80度；
炮眼钻孔布置3：在切眼中间距离工作面煤壁3.75 ～3.85 米处，设计施工炮眼两排，炮眼排距控制在0.8 ～1.0 米之间，炮眼之间距离1.75 米，炮眼深度5.5米～6 米之间，钻孔直径42 毫米，炮眼钻孔角度与工作面顶板呈90 度角。
b.炮眼钻孔施工要求
（1）炮眼钻孔定位要准确：要求炮眼钻孔开口位置按设计要求处于同一条直线上，并保持炮眼之间距离相同，炮眼钻孔定位允许最大误差不超过5 厘米，开口位置应有测量人员在钻孔前按设计图纸标出。
（2）炮眼钻孔在空间的位置排布要处在同一平面内，也就是说在保证定位精准的基础上，炮眼钻孔倾角需严格保持一致；钻孔底与设计顶板预裂面的允许偏差应保证在±15 厘米内。
（3）钻机在作业过程中，钻机推进力需保持稳定，要确保钻孔轴线的直线度符合要求。
c.顶板预裂爆破安全施工工艺
根据寺河矿5306 工作面初采放顶经验，结合5305工作面实际情况，加强初采放顶期间的安全生产管理工作，采取如下安全生产管控措施：
（1）爆破前5305 工作面切眼范围内各类抽采钻孔工作全面停抽采，并在5305 工作面调车巷施工50 个注水钻孔，每次爆破后对爆破区域进行注水、注史达夫防灭火阻化剂。
（2）在进行炮眼装药时必须保证炮眼矸孔段至少留有0.8 米安全距离，以保证矸孔中炮泥封堵深度不小于0.8 米。
（3）强化放顶阻隔，每次爆破后相邻2 排炮眼不进行装药，炮眼使用炮泥封堵严实。
具体安全施工工艺流程如下：
（1）降支架：每次降6 个支架，在相应位置安设好楼梯，方便工作人员通行。
（2）吹孔：人员上架吹孔，首先检查孔眼内是否有瓦斯存在，如果孔口瓦斯大于0.5%不能够安装火药。其次检验炮孔，看炮孔施工是否通透。
（3）装药：装底泥1 个，装炸药（每装5 卷炸药，装1 个炮头，每个炮眼装12 卷炸药，2 发雷管），装1个炮泥，装1 个水泡泥，再装1 个水泡泥，直至封泥完毕。
（4）连线、断网、退锚、设置警戒线：首先连接起爆线路，其次断开顶部的固定网，然后所有能退掉的锚索必须退掉，退不下来的锚索周边必须断开固定网，所有锚索头部必须用风筒加水炮袋包裹起来。最后设置好安全警戒线。
（5）撤人、洒水、接风管、接喷雾、升架。
（6）一炮三检：安排专业人员对放炮区域内瓦斯、氧气、一氧化碳含量按规范进行检测检查。
（7）起爆：工作人员撤至警戒线以外区域，各项工作汇报完毕后，起爆人员撤至起爆地点，开始起爆。
（8）验炮：放炮完毕30 分钟后，工作人员进入放炮区域，检测放炮区域上风侧5 个支架及放炮区域瓦斯、温度、一氧化碳各项指标无异常后方可解除警戒。
（9）洒水、升支架。
（10）注水、注浆：工作面每放一炮，通过回风措施巷注水孔向工作面注水、注浆。工作面放置30 个支架，通过注水孔注入史达夫防灭火剂，直至工作面切眼顶板浆液流出为宜，注浆距离放炮点留5 个支架安全距离。同时为工作联系方便，在工作面和回风措施巷各安设电话机一部，并安排专人观测工作面顶板开始淋水或流浆液，及时通知回风措施停止注水、注浆。
三、设计优化应用效果
通过对综采工作面初采前放顶设计研究，并根据现场实际情况对各项参数优化改进，如炮眼钻孔深度加深至基本顶所处位置，装药量和炮眼数量依据岩石的情况而制定，初采预裂爆破设计优化达到了预期的效果。
1.由于炮眼把工作面部分直接顶和基本顶分割成为距离相对较短岩体块，初采预裂爆破在顶板垮落方面的作用体现在以下几个方面，一是煤顶、直接顶、基本顶垮落步距与优化前相比均有显著缩短，二是顶板垮落地推进距离明显减小，三是顶板垮落时间有较大幅度缩短，四是垮落时冲击力明显降低。
2.顶板在系统可控状态下垮落，初采过程中风排瓦斯涌出总量显著减少，风排瓦斯涌出量的最大量和平均量均比原来显著降低，在采用改进参数后，初采作业过程中瓦斯浓度始终保持在允许范围内，尚未发生瓦斯超限现象。
3.初采作业时间和改进前相比相应减短。
四、结束语
结合5306 工作面初采放顶经验，针对5305 工作面初采放顶设计改进优化，使煤层坚硬顶板得到减弱，不仅有效避免直接顶和基本顶大面积垮落问题，还有效解决了采空区瓦斯大量涌出，造成瓦斯严重超限现象，工作面矿压比增大情况也有了较大的改善。初采顶板预裂爆破就是将顶板存在的问题隐患提前消除，避免煤矿生产中安全事故的发生，为煤矿安全高效生产打下坚实的基础。
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