厚硬頂板爆破切頂沿空留巷工程實(shí)踐

劉成偉 高 魁

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院；2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司；3.平安煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司)

厚硬頂板爆破切頂沿空留巷工程實(shí)踐

劉成偉1,2,3高 魁1

(1.安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院；2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司；3.平安煤礦瓦斯治理國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司)

厚硬頂板條件對(duì)沿空留巷非常不利，大面積頂板突然冒落對(duì)充填墻體產(chǎn)生沖擊破壞，懸頂還會(huì)使留巷墻體長(zhǎng)期處于集中應(yīng)力作用下，加大了留巷圍巖變形和留巷難度。通過(guò)在工作面前方實(shí)施頂板預(yù)裂爆破，在工作面后方爆破切頂控制留巷側(cè)向懸頂長(zhǎng)度，保證了堅(jiān)硬厚層頂板條件下沿空留巷的順利實(shí)施。

厚硬頂板 沿空留巷 爆破 切頂

無(wú)煤柱Y型通風(fēng)沿空留巷，解決了U型通風(fēng)工作面上隅角瓦斯積聚超限難題，取消了區(qū)段煤柱，改善了工作面作業(yè)環(huán)境，是深部煤炭安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)。在堅(jiān)硬頂板條件下沿空留巷時(shí)，煤層頂板強(qiáng)度高，巖層節(jié)理和裂隙不發(fā)育，頂板整體性好，回采后容易造成大面積的懸頂。尤其是厚硬頂板條件下采場(chǎng)，礦山壓力顯現(xiàn)極為劇烈，在煤層回采后往往形成大面積懸頂。懸頂突然斷裂會(huì)給采場(chǎng)造成嚴(yán)重的沖擊破壞，甚至?xí)T發(fā)礦震。厚硬頂板條件對(duì)沿空留巷也非常不利，懸頂會(huì)形成小結(jié)構(gòu)支撐應(yīng)力場(chǎng)，使留巷墻體長(zhǎng)期處于集中應(yīng)力作用下，加大了留巷圍巖變形和留巷難度。因此，需要對(duì)厚硬頂板條件下的留巷進(jìn)行力學(xué)分析，以便采取相應(yīng)措施，降低留巷難度和成本[1-3]。

1 沿空留巷墻體受力分析

沿工作面傾向剖面，工作面回采后采空側(cè)上覆巖體的斷裂如圖1所示。對(duì)于堅(jiān)硬厚層頂板直覆條件，巖塊B在采空側(cè)容易形成懸臂結(jié)構(gòu)，在巷道周圍尤其是墻體上方易形成高支承壓力，且只要懸臂不破斷，此高支承壓力將長(zhǎng)期存在，巷道將出現(xiàn)大變形，不能滿足使用要求。對(duì)巖塊B進(jìn)行受力分析，側(cè)向懸頂懸臂梁力學(xué)模型如圖2所示[4-6]。

圖1 沿空留巷側(cè)向頂板破斷示意

充填墻體支護(hù)強(qiáng)度P1與懸頂長(zhǎng)度l關(guān)系如下：

(1)

其中，

圖2 側(cè)向懸頂懸臂梁力學(xué)模型

(2)

(3)

式中,Mmax為基本頂側(cè)向懸頂懸臂的極限彎矩，N·m；m為煤層采高，m；A1為側(cè)壓系數(shù)；c0為煤層與頂?shù)装鍘r層交界面的黏聚力，N；φ0為煤層與頂?shù)装鍘r層交界面的內(nèi)摩擦角,(°)；P0為煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，N/m2；Rt為頂板巖層的抗拉強(qiáng)度，Pa；h為堅(jiān)硬直接頂巖層厚度，m;M為直接頂極限彎矩，N·m。

可見(jiàn)，充填墻體支護(hù)強(qiáng)度與懸頂長(zhǎng)度成二次冪的關(guān)系，充填墻體支護(hù)強(qiáng)度受懸頂長(zhǎng)度影響很大，減小懸臂長(zhǎng)度能顯著減小切斷基本頂?shù)膲w強(qiáng)度。

2 沿空留巷工程實(shí)踐

2.1 工作面地質(zhì)概況

某礦沿空留巷試驗(yàn)巷道為工作面回風(fēng)巷，采深312～364 m，煤層厚度為0.8～1.9 m，平均厚度約1.6 m，屬薄煤層。受褶曲和斷層影響，煤層傾角變化較大，為4°～12°，直接頂板為灰～灰黑色薄層狀中細(xì)粒砂巖，厚度約10 m。往上依次為灰色中粒砂巖，厚度8.0 m；灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚度12～18 m。直接底板為黑色砂質(zhì)泥巖，厚1.6 m。往下依次為黑色條帶狀中細(xì)粒砂巖，厚度6.0～10 m；灰白色中粒砂巖，厚度18 m；黑色泥巖，厚30 m。屬厚層堅(jiān)硬頂板直接覆蓋條件。

2.2 工作面前方頂板預(yù)裂爆破

在工作面前方采用深孔爆破，對(duì)8 m厚中粒砂巖基本頂進(jìn)行預(yù)裂，增加基本頂內(nèi)裂隙，降低基本頂強(qiáng)度，使采后頂板容易冒落，發(fā)揮冒落矸石的墊層效應(yīng)，降低墻體載荷。炮孔布置方式根據(jù)基本頂?shù)母叨群秃穸?、?jié)理及層理裂隙產(chǎn)狀、工作面傾角及傾斜長(zhǎng)度、采煤方法及采高、支護(hù)方式及支護(hù)強(qiáng)度、工作面初次來(lái)壓及周期來(lái)壓的步距、鉆孔機(jī)具的性能、炸藥爆破性能等因素確定。采用巷道雙向鉆孔法布置炮孔，即在工作面回風(fēng)巷與進(jìn)風(fēng)巷同時(shí)向頂板巖體內(nèi)打孔(圖3)，每一組包含基本頂切斷孔(炮孔1、2、3、4、5、7、8)、端頭切斷孔(炮孔6)。炮孔布置參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 工作面前方頂板預(yù)裂爆破孔布置

表1 炮孔布置參數(shù)

2.3 工作面后方爆破切頂

留巷后，在工作面前方頂板預(yù)裂爆破基礎(chǔ)上，采用爆破切頂精確控制留巷側(cè)向懸臂長(zhǎng)度，優(yōu)化留巷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。爆破施工具體參數(shù)見(jiàn)圖4及表2。

圖4 爆破切頂沿空留巷炮孔布置

2.4 沿空留巷圍巖控制效果

2.4.1 巷道表面位移分析

工作面后方圍巖變形情況如圖5所示。從圖5可知，工作面后方頂板下沉量、底鼓量、充填體變形量、非回采側(cè)變形量分別達(dá)到148，260，240，195mm。留巷兩幫變形以充填側(cè)為主，頂?shù)装逡平缘坠臑橹?。巷道圍巖穩(wěn)定后，巷道底鼓量、充填側(cè)變形量分別比頂板下沉量和非回采側(cè)變形量多112，45 mm，巷道底鼓量、充填側(cè)變形量分別占頂?shù)装逡平俊蓭鸵平康?4%、55%，巷道圍巖變形呈現(xiàn)不均衡性。

表2 沿空留巷區(qū)域應(yīng)力控制炮孔參數(shù)

圖5 工作面后方留巷圍巖變形

2.4.2 圍巖深部位移分析

留巷幫部圍巖深部位移觀測(cè)曲線如圖6所示。

圖6 留巷幫部圍巖深部位移觀測(cè)曲線

2，4，6，8，10，12 m測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)的圍巖最大累計(jì)位移量分別為9，10，30，40，27，39 mm。工作面后方110m之內(nèi)，4m處測(cè)點(diǎn)位移量比較小，最大位移只有10 mm，表明幫部2.4 m長(zhǎng)錨桿較好地控制了錨桿錨固范圍內(nèi)圍巖的離層發(fā)育，4 m以外各測(cè)點(diǎn)位移相差不大，最大值達(dá)到40 mm，說(shuō)明幫部離層基本上發(fā)生在4 m以外，也就是說(shuō)發(fā)生在錨桿錨固區(qū)外。

2.4.3 留巷效果巷道經(jīng)歷了回采階段、充填留巷穩(wěn)定階段，留巷后巷道圍巖基本保持完整，墻體整體維護(hù)效果良好，留巷斷面達(dá)到10～11 m2，滿足了預(yù)期的留巷要求。

3 結(jié) 論

(1)分析了采場(chǎng)側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出了厚硬頂板條件下的留巷墻體支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式。充填墻體支護(hù)強(qiáng)度P1與懸頂長(zhǎng)度l成二次冪關(guān)系，受懸頂長(zhǎng)度影響很大，減小懸臂長(zhǎng)度能減小切斷直接頂時(shí)的墻體支護(hù)強(qiáng)度。

(2)通過(guò)工作面前方頂板預(yù)裂爆破及工作面后方爆破切頂兩種切頂卸壓方法，控制留巷側(cè)向懸頂長(zhǎng)度，發(fā)揮冒落矸石支撐作用，控制老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)和下沉變形，減緩大跨度懸頂對(duì)墻體的支承壓力，防止長(zhǎng)距離、大面積堅(jiān)硬厚層頂板突然垮落對(duì)墻體的沖擊作用，保證了堅(jiān)硬厚層頂板條件下沿空留巷的順利實(shí)施。

[1] 朱永鵬,畢思峰,宋成偉.堅(jiān)硬頂板條件沿空留巷技術(shù)研究及應(yīng)用[J].煤炭工程,2011(10):65-71.

[2] 劉書(shū)粱.堅(jiān)硬頂板超前預(yù)裂爆破技術(shù)在沿空留巷中的應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采,2013,18(2):79-81.

[3] 張創(chuàng)業(yè),吳建宇.堅(jiān)硬頂板強(qiáng)制切頂技術(shù)在保護(hù)層開(kāi)采中的應(yīng)用[J].能源技術(shù)與管理,2014,39(2):83-84.

[4] 張 羽,潘躍文.堅(jiān)硬無(wú)直接頂沿空留巷圍巖穩(wěn)定性控制研究[J].煤炭科技,2012(1):14-17.

[5] 華心祝,馬俊楓,許庭教.沿空留巷巷旁錨索加強(qiáng)支護(hù)與參數(shù)優(yōu)化[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004,32(8):60-64.

[6] 高 魁,劉澤功,劉 健，等.深孔爆破在深井堅(jiān)硬復(fù)合頂板沿空留巷強(qiáng)制放頂中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(8):1588-1594.

·記者在線·

行情不濟(jì) 鐵礦價(jià)格或一直“頹勢(shì)”

2015年以來(lái)，鐵礦價(jià)格已經(jīng)下跌超過(guò)32%。鐵礦石最高價(jià)格出現(xiàn)在1月6日的71.38美元/t，最低價(jià)格是7月8日的45.13美元/t。10月中旬以來(lái)，鐵礦石價(jià)格一路下跌。僅僅在10月份，鐵礦石價(jià)格下跌幅度就超過(guò)12%。有觀點(diǎn)認(rèn)為此次下跌或是一次深度下跌，甚至存在突破40美元/t的可能。

Practice of Thick and Hard Roof Caving with Blasting in Gob-side Entry Retaining

Liu Chengwei1,2,3Gao Kui1

(1.College of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology;2. Huainan Mining (Group) Co.,Ltd.;3.National Engineering Research Center for Coal Gas Control Co.,Ltd.)

The condition of thick and hard roof is bad for gob-side entry retaining,the large area of roof sudden caving can generate impact breakage to the filling wall, the roof hanging can also make the wall under the effects of stress concentration for a long time, which increase the deformation of the surrounding rock and the difficulty of gob-side entry retaining. Through roof pre-splitting blasting in front of working face, and the length of lateral cantilever controlled by blasting behind the working face, the gob-side entry retaining can be conducted smoothly under the condition of thick and hard roof.

Thick and hard roof， Gob-side entry retaining, Blasting, Roof cutting

2015-06-23)

劉成偉(1984—)，男，工程師，232001 安徽省淮南市。