吉林江源煤业有限责任公司采用水力采煤，矿井主要开采1#、4#和6#煤层，开采的-417采区和-418采区煤层平均倾角50°，4#煤层顶板为石英粗粒砂岩矽质胶结，厚度平均18m，顶板坚硬，不易垮落。水采工作面走向长约200m，倾斜长平均20m。当-417采区开采4#煤层时，顶板采用自然垮落法。随着工作面的推进，采空区悬顶面积不断扩大，当采空区面积达1 660～2 100m2时，顶板大面积瞬间垮落，形成飓风和冲击压力，将采空区中积存的甲烷及一氧化碳等有害气体煽出，致使工作面有害气体超限。为避免工作面顶板事故发生，保证矿井的正常安全开采，矿井对工作面进行了封闭，对坚硬顶板采取合理可行的管理措施。 目前坚硬顶板处理方法主要有注水弱化法和爆破预裂法。注水弱化坚硬顶板法适用于顶板岩石吸水性较强，且岩石吸水后其强度明显降低的情况。该公司4#煤层顶板为吸水率较低的砂岩，注水弱化效果不佳。爆破预裂坚硬顶板法是采用爆破的方法，人为将顶板切断，使一定厚度的顶板冒落形成矸石垫层。爆破方法有浅孔放顶、地面深孔放顶、步距深孔爆破和超前深孔预裂爆破等。超前深孔预裂爆破是超前工作面一定距离，在工作面上回风巷(西三分层)、下回采顺槽(西四分层)两巷道里，以一定距离一定间距向坚硬顶板内钻深孔，采用高威力炸药爆破，既不影响工作面生产安全，又便于施工顶板效果好等一系列优点。 1 研究内容 (1)煤岩物理力学参数确定 基于理论计算与数值模拟研究需要，对前期的1#、4#和6#煤层及其顶底板物理力学参数测试结果进行了核实和筛选，确定了理论计算与数值模拟计算的基础数据。 (2)坚硬顶板垮落步距计算 采用理论计算方法，确定4#煤层顶板初次垮落步距及周期垮落步距，评价4#煤层顶板强制放顶必要性。 (3) 顶板超前深孔爆破方案设计 采用数值模拟计算、理论分析等方法，确定炮孔孔径、间距、数目、深度、装药结构等参数。 (4)爆破工艺及安全技术措施 针对顶板爆破方案，进行钻机、炸药、雷管选型，确定装药工艺及安全技术措施。 2 坚硬顶板垮落步距计算 2.1 基础数据 根据实验室测定和理论计算，确定1#、4#和6#煤层及其顶底板物理力学参数见表1。 表1 煤层及煤层顶底板岩石物理力学性质指标岩石名称视密度/(kg·m-3)抗拉强度/MPa抗压强度/MPa弹性模量103MPa泊松比页岩2.4452.2712.9622.960.23砂岩2.6625.4865.7040.740.261#煤1.3880.874.701.300.23砂岩2.6635.3066.4036.500.25砂页岩2.6223.9039.2023.700.25砂岩2.6795.9678.0041.900.244#煤1.3440.353.301.400.22页岩2.5422.3013.5023.360.23砂岩2.5662.3234.0531.220.256#煤1.3310.383.301.300.23 2.2 4#煤层坚硬顶板初次与周期来压步距 根据-417采区水采工作面的条件，坚硬顶板初次断裂前，可视坚硬顶板为上覆受均布载荷q作用的双支点岩梁，则坚硬顶板初次跨落步距L0为： 式中：Rt为顶板岩层的抗拉强度，MPa；H为初次垮落岩梁厚度，m；q为岩梁上覆均布载荷，kN/m2。 考虑上覆n层岩层对坚硬顶板岩梁影响的载荷q计算公式为： 式中：E为岩梁本身的弹性模量，Pa；En为各岩层的弹性模量，Pa；ρn为各岩层视密度，kg/m3；g是重力加速度，9.8m/s2；hn为各岩层的厚度，m。 4#煤层上方第一层(18m厚砂岩)本身载荷为： q0=ρgH=475kN/m2 考虑上覆第二层(13m厚砂页岩)对第一层的作用有： 考虑上覆第三层(平均5m厚砂岩)对第一层的作用有： =760kN/m2 第三层上方为1#煤层采空区，所以q2作为坚硬岩梁上的载荷，即岩梁上的均布载荷应为： q=q3=0.76MPa 将q=0.76MPa，H=18m，Rt=5.96MPa代入公式(1)得： 坚硬顶板初次垮落步距71m左右，与现场水采工作面推进约60m时，顶板大面积垮落，工作面来压强烈的实际情况相差不大。为保证工作面生产安全，对坚硬顶板采取合理可行的管理措施，减小坚硬顶板初次垮落步距。 根据经验公式，周期垮落步距为初次垮落步距的1/2.45，所以坚硬顶板周期来压步距为： 4#煤层初次来压步距71m，造成采空区内近1 420m2的悬顶，顶板大面积瞬间垮落将形成飓风和冲击压力，给工作面安全开采带来严重危险。针对以上计算得出，江源煤业在开采4#煤层时，需要对采空区顶板采取强制放顶措施，减小工作面初次来压步距及周期来压步距。 3 超前深孔预裂爆破方案 3.1 爆破参数 (1) 炸药。因江源煤业为高瓦斯矿井，所以选择适用于高瓦斯井的三级煤矿许用乳化炸药。 (2)