官地礦靜態(tài)切頂卸壓的參數(shù)設(shè)計(jì)研究

杜利偉

（山西焦煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司官地礦，山西 太原030022）

我國地域遼闊，能源產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，各類能源的存儲(chǔ)量十分豐富，但總的來說我國的能源的分布仍是屬于少氣多煤，所以煤炭資源的開采成為了我國各行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著我國大力發(fā)展重工業(yè)以來，煤炭資源的開采已經(jīng)開始進(jìn)入末期，我國必須提升煤炭資源的采出率和提升開采的合理性來保證生產(chǎn)生活的需求[1，2]。沿空留巷技術(shù)是近些年來提升煤炭的開采率和提升煤礦的開采時(shí)間的重要工藝，不僅可以提升出煤率同時(shí)還可以降低巷道的掘進(jìn)成本提升煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。但在沿空留巷處在采空區(qū)的周邊，常常會(huì)受到采動(dòng)的影響造成巷道的上賦巖層頂板發(fā)生變形，對(duì)工作面的開采造成巨大的影響[3，4]。為了解決巷道頂板的大變形，對(duì)巷道的上賦頂板進(jìn)行切頂卸壓，來減小巷道的圍巖變形，保證工作面的開采安全[5]。本文以山西焦煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司官地礦（全文簡稱官地礦）12607工作面為基礎(chǔ)，通過靜力巖層爆破對(duì)巷道的上賦頂板進(jìn)行卸壓，為巷道的圍巖穩(wěn)定和煤礦的安全開采提供了指導(dǎo)和一定的理論指導(dǎo)。

1 研究背景

官地礦12607工作面12607工作面設(shè)計(jì)采長215 m，可采走向長717 m；煤層平均可采厚度2.41 m，可采儲(chǔ)量44.55萬t。地面位于要子莊村西南側(cè)山坡上，坡上植被發(fā)育，黃治溝支溝從工作面上部穿過；地面標(biāo)高：1 280～1 435 m，工作面2號(hào)煤層標(biāo)高：1 019～1 065 m；蓋山厚度：215～416 m，平均約316 m。工作面2號(hào)煤厚度2.41～3.50 m，平均2.81 m。老頂為砂泥巖，厚度約6.34 m，直接頂為炭質(zhì)泥巖，厚度約0.6 m，直接底為泥巖，厚度約0.6 m，老底為中粒砂巖，厚度約10.34 m，工作面可采走向長717 m，傾斜長215 m，可采儲(chǔ)量44.5萬t。

2 靜力切頂卸壓機(jī)理研究

經(jīng)過眾多學(xué)者對(duì)沿空留巷技術(shù)的研究后發(fā)現(xiàn)，在工作面前20～30 m的范圍內(nèi)，檢測到的巷道圍巖變形和巷道支架的支架阻力都較小，巷道的圍巖穩(wěn)定性較好。在工作面前5～20 m和工作面后方5 m的的范圍內(nèi)，巷道的圍巖變形量較大，巷道的頂板下沉量大，支架的支護(hù)阻力也明顯增大，巷道的穩(wěn)定性明顯下降，對(duì)工作面的安全造成一定的影響。在工作面進(jìn)行推進(jìn)的過程中，巷道的上覆巖層的巖層首先發(fā)生頂板的離層現(xiàn)象，采空區(qū)的頂板會(huì)產(chǎn)生一定的懸頂，懸頂?shù)闹亓繒?huì)由巷道的圍巖和煤體本身來承載，隨著開采的不斷進(jìn)行，懸浮的巖層面積逐步增大，當(dāng)懸頂?shù)闹亓砍^支撐的力時(shí)，巖體將會(huì)發(fā)生一定的垮落，當(dāng)垮落達(dá)到穩(wěn)定后，會(huì)形成砌體梁結(jié)構(gòu)。直接頂?shù)目迓鋷?dòng)上覆巖層發(fā)生垮落，隨著垮落完成，巷道的完整性和穩(wěn)定性增強(qiáng)。所以采用切頂卸壓來進(jìn)行巷道的穩(wěn)定性的維護(hù)。

通過靜力來切頂卸壓，將基本頂?shù)臄嗔褏^(qū)域移動(dòng)到采空區(qū)一側(cè)，進(jìn)行切頂來填充采空區(qū)。為了更好的建立切頂卸壓的力學(xué)模型，所以作出以下的假設(shè)，基本頂為實(shí)體煤與斷裂處的旋轉(zhuǎn)軸，垮落完成后的巖石充滿采空區(qū)，忽略基本頂和直接頂之間的剪切應(yīng)力，并且忽略支護(hù)作用，對(duì)鉆孔的圍巖進(jìn)行應(yīng)力分析。

利用破碎劑遇水會(huì)發(fā)生膨脹，在鉆孔中的破碎劑膨脹后會(huì)對(duì)鉆孔的圍巖造成一定的擠壓作用，當(dāng)鉆孔內(nèi)的破碎劑增加大到一定的程度后，膨脹力增大到一定的程度后超過鉆孔的圍巖強(qiáng)度，此時(shí)鉆孔會(huì)發(fā)生破裂，為了便于研究，對(duì)巖體中的鉆孔受力情況進(jìn)行簡化處理，并對(duì)鉆孔的受力情況進(jìn)行研究。鉆孔受力分析圖如圖1所示。

圖1 鉆孔圍巖的受力分析示意圖

考慮到膨脹劑隨著時(shí)間膨脹的速度呈現(xiàn)出遞增的趨勢，鉆孔的圍巖受到膨脹劑的膨脹力也呈現(xiàn)出遞增的趨勢。

3 鉆孔裂紋研究及布置距離研究

當(dāng)鉆孔的圍巖受到超過壓應(yīng)力的破壞極限時(shí)，鉆孔會(huì)產(chǎn)生一定的裂縫，裂縫隨著膨脹劑的膨脹作用會(huì)出現(xiàn)裂縫的擴(kuò)展，裂縫的擴(kuò)展力學(xué)分析模型如圖2所示。

圖2 鉆孔裂縫的擴(kuò)展分析模型

如圖2所示為靜態(tài)的破碎劑裂縫發(fā)育的模型，其中裂紋一般可以分為倆部分，一部分為巖體內(nèi)部原先就存在的原生裂縫，此類裂縫的寬度一般較窄，另一部分為巖體受到應(yīng)力的作用產(chǎn)生的次生裂縫。本文為了更好的研究鉆孔的裂縫擴(kuò)展，默認(rèn)鉆孔的圍巖無原生裂縫，且?guī)r體的質(zhì)地均勻，且各向同性。從模型可以看出，模型中的裂縫可以分為先發(fā)生的裂縫圖中用a表示和后發(fā)生的裂縫b，當(dāng)裂縫的長度較短時(shí)，默認(rèn)鉆孔作為裂縫的一部分，所以裂縫尖端的強(qiáng)度因子可以表示為：

式中：Ka為先發(fā)生的裂縫的強(qiáng)度因子；d為鉆孔的直徑；a為先發(fā)生的裂縫長度；q鉆孔的圍巖受到膨脹劑的膨脹力；t為裂縫發(fā)生的時(shí)間。

當(dāng)裂縫的長度遠(yuǎn)大于鉆孔的直徑時(shí)，鉆孔與裂縫可以視為裂縫與集中力的作用，其中集中力可以表示為：

在本次研究中,結(jié)果顯示常規(guī)治療加生長抑素治療的總有效率達(dá)92.0%,而單純常規(guī)治療的總有效率為30.0%,兩組對(duì)比差異顯著;在住院時(shí)間、止血時(shí)間以及出血復(fù)發(fā)率等情況對(duì)比中,常規(guī)治療加生長抑素治療的住院時(shí)間為(6.7±0.8)d,而單純常規(guī)治療的住院時(shí)間為(9.5±1.2)d,且常規(guī)治療加生長抑素治療的止血時(shí)間為(30.7±10.5)h,而單純常規(guī)治療的止血時(shí)間為(56.9±1.2)h,兩組對(duì)比差異顯著;患者治療后,出血復(fù)發(fā)率情況對(duì)比中,常規(guī)治療加生長抑素治療后未出現(xiàn)出血復(fù)發(fā)情況,而單純常規(guī)治療后出現(xiàn)4例出血復(fù)發(fā)情況的患者,可見,常規(guī)治療加生長抑素治療的出血復(fù)發(fā)率也低于單純常規(guī)治療。

式中：r為裂縫上的一點(diǎn)到鉆孔中心的距離。

裂縫的先發(fā)生裂紋和后發(fā)生裂紋的強(qiáng)度因子可以表示為如下的公式：

式中：Kb為后發(fā)生裂紋的尖端強(qiáng)度因子；b為后發(fā)生的裂縫長度；P為集中力。

當(dāng)鉆孔中的膨脹劑受到水的作用發(fā)生膨脹，隨著與水的接觸時(shí)間不斷增加，膨脹劑的膨脹壓力也不斷增加，鉆孔的尖端在受到膨脹劑的作用下，尖端的強(qiáng)度因子不斷增加，當(dāng)巖石的極限強(qiáng)度小于鉆孔尖端的強(qiáng)度因子時(shí)，鉆孔的圍巖發(fā)生起裂現(xiàn)象，隨著應(yīng)力的不斷增加，裂縫開始發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)鉆孔內(nèi)部膨脹劑的膨脹力在隨著的裂縫的起裂不斷減小時(shí)，裂縫的擴(kuò)展停止。一般來說當(dāng)裂縫的擴(kuò)展的停止時(shí)間是根據(jù)先發(fā)生裂紋的尖端和后發(fā)生裂紋的尖端的強(qiáng)度因子大小所決定的，一般來說由于先發(fā)生裂紋的擴(kuò)展長度較長，所以裂縫的尖端的強(qiáng)度因子也更小，所以裂縫的擴(kuò)展停止條件為：

式中：KIC為鉆孔圍巖的斷裂韌度，N/mm3/2。

由于先發(fā)生裂縫的長度a＞b（后發(fā)生裂縫），所以先發(fā)生裂縫的長度可以作為鉆孔的裂縫擴(kuò)展長度，也作為鉆孔的裂隙區(qū)域的半徑。

為了確定鉆孔的裂隙半徑區(qū)域，由于巖石的斷裂韌度的測定較為復(fù)雜，本文通過研究斷裂韌度和單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式對(duì)巖石的斷裂韌度進(jìn)行測定，斷裂韌度和單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式如下所示：

綜合強(qiáng)度因子公式可得：

通過計(jì)算可以得出靜態(tài)碎裂劑膨脹在鉆孔內(nèi)部的裂隙半徑，確定了使用靜態(tài)碎裂劑進(jìn)行煤礦的頂板預(yù)裂時(shí)的鉆孔合理布局為2a，為2倍的先發(fā)生裂紋的長度。

經(jīng)過現(xiàn)場測量后發(fā)現(xiàn)，此礦山的上賦巖層的直接頂?shù)膸r石為砂質(zhì)泥巖，經(jīng)過測定得到砂質(zhì)泥巖的抗壓強(qiáng)度為30 MPa，基本頂為細(xì)砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度為52 MPa，通過對(duì)鉆孔的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆孔的直徑為70～90 mm時(shí)，膨脹劑對(duì)鉆孔的圍巖的壓力最大為100 MPa，膨脹劑發(fā)生膨脹后體積擴(kuò)大為原體積的2倍左右。考慮到在工程的溫度和壓力等原因，膨脹劑發(fā)生膨脹作用時(shí)并不能完全發(fā)揮效果，所以需要設(shè)定為工業(yè)的利用系數(shù)，本文設(shè)定了0.65，膨脹壓力為65 MPa。所以基本頂設(shè)定的鉆孔距離為：

根據(jù)計(jì)算可以的出基本頂?shù)你@孔距設(shè)定為1 m符合理論計(jì)算。但為了保證切頂效果的可靠性和精確性，本文選取基本頂?shù)你@孔距為0.9 m。

4 結(jié)論

1）本文利用靜態(tài)破碎劑遇水膨脹的原理，將破碎劑注入鉆孔中，利用膨脹作用對(duì)鉆孔圍巖的壓力進(jìn)行煤礦直接頂?shù)撵o態(tài)卸壓，并對(duì)鉆孔的受力情況進(jìn)行研究分析。

2）分析了鉆孔受力后的鉆孔周邊的巖石裂縫起裂和擴(kuò)展的力學(xué)情況，通過計(jì)算給出了鉆孔破裂的裂隙半徑為a。

3）根據(jù)計(jì)算給出基本頂?shù)你@孔距設(shè)定為1 m。但為了保證切頂效果的可靠性，選取基本頂?shù)你@孔距為0.9 m。