切頂留巷技術(shù)工程應(yīng)用研究

孫俊峰

(西山煤電馬蘭礦， 山西 古交 030205)

1 前言

礦井回采過(guò)程中，傳統(tǒng)的方法相鄰工作面分別掘進(jìn)運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽，工作面中間預(yù)留保護(hù)煤柱。該回采工藝存在資源浪費(fèi)量大、工程量大的問(wèn)題[1-7]。由于需要預(yù)留煤柱寬度達(dá)到40 m，甚至更多，產(chǎn)生資源浪費(fèi)量達(dá)到十幾萬(wàn)噸，每個(gè)工作面單獨(dú)掘進(jìn)運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽，多一條巷道掘進(jìn)支護(hù)工程量。近年來(lái)，沿空留巷技術(shù)在我國(guó)較多大型煤礦回采中得到了廣泛推廣[8-13]，該技術(shù)將上一個(gè)工作面的巷道作為下一個(gè)工作面的備用巷道，兩個(gè)工作面之間不存在安全煤柱，極大的降低了工程量，減低了資源浪費(fèi)。本文以山西某煤礦125220工作面為研究對(duì)象，對(duì)該工作面實(shí)施的切頂留巷技術(shù)工程實(shí)施展開(kāi)研究。

2 礦井及工作面概況

山西某煤礦核定產(chǎn)能120萬(wàn)t/a，目前礦井在采煤層為5-2煤層，煤層平均厚度1.7 m，煤層直接頂板為泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度4.81 m；基本頂為中粒砂巖，平均厚度13.1 m；煤層直接底為泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度10.51 m；基本底為粉砂巖，平均厚度6.5 m；試驗(yàn)工作面125220工作面位于二盤區(qū)，南面為5-2煤可采邊界線，北面為125218綜采工作面。該工作面走向長(zhǎng)度930 m，傾向長(zhǎng)度270 m，設(shè)計(jì)采高2 m。礦井采用一次采全高走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法。

3 切頂留巷技術(shù)數(shù)值模擬研究

礦井工作面回采完畢后，工作面自然垮落，工作面上覆巖層和巷道頂板巖層存在連續(xù)性，如果直接垮落將嚴(yán)重影響留巷穩(wěn)定性。為解決該問(wèn)題，在預(yù)留巷道靠近采空區(qū)實(shí)施切頂技術(shù)，影響切頂效果的因素主要有切頂鉆孔長(zhǎng)度和切頂角度。為研究適合125220工作面留巷切頂留巷技術(shù)參數(shù)，現(xiàn)采用FLAC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3.1 模擬參數(shù)

為確定模擬參數(shù)，到現(xiàn)場(chǎng)取煤樣到實(shí)驗(yàn)室送檢，取樣位置分別為煤層基本頂位置點(diǎn)、煤層直接頂位置點(diǎn)、煤層位置點(diǎn)、煤層直接底位置點(diǎn)、煤層基本底位置點(diǎn)。取樣采用的設(shè)備為ZDY650型鉆機(jī)，鉆頭為φ89 mm的合金鋼鉆頭，取巖心為φ75 mm的巖心，對(duì)巖心樣本進(jìn)行切割，然后記性測(cè)試。使用的設(shè)備如圖1所示，巖石樣本如圖2所示，力學(xué)參數(shù)設(shè)備如圖3所示。所測(cè)得力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖應(yīng)力參數(shù)表

圖1 取樣鉆機(jī)(ZDY650鉆機(jī))

圖2 取樣樣本圖

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

3.2 切頂鉆孔深度數(shù)值模擬研究

切頂角度不同，工作面回采后采空區(qū)垮落面積也有所不同。采用軟件FLAC3D進(jìn)行不同切割傾角數(shù)值模擬研究，分別模擬切頂深度為5 m、10 m、15 m情況下，圍巖位移變化量云圖。模擬結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，當(dāng)切縫距離為5 m時(shí)，工作面回采后，采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域較小，留巷靠近未回采一側(cè)的影響范圍約為3 m，上覆巖層5 m以上的范圍內(nèi)巖層存在連續(xù)性，會(huì)出現(xiàn)整體水平位移；當(dāng)切縫為10 m時(shí)，留巷周圍巖體應(yīng)力集中點(diǎn)較少，留巷周圍巖體均為非應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力為-5～0.4 MPa，對(duì)原先支護(hù)影響比較小，且留巷正上方上覆圍巖5 m范圍內(nèi)未出現(xiàn)大的位移，整體比較穩(wěn)定；當(dāng)切縫為15 m時(shí)，留巷周圍圍巖應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)變大的情況，應(yīng)力在-5～0.4 MPa，留巷正上方上覆圍巖6 m范圍內(nèi)為出現(xiàn)大的位移，留巷采空區(qū)一側(cè)產(chǎn)生了較大的水平位移，將嚴(yán)重影響留巷圍巖整體穩(wěn)定性。

圖4 不同切割深度應(yīng)力、位移分布云圖

3.3 切頂傾角數(shù)值模擬研究

切頂深度不同，工作面回采完畢后采空區(qū)垮落面積不同?，F(xiàn)分別模擬切頂傾角為0°、10°、20°，圍巖應(yīng)力、位移變化量云圖如圖5所示。

圖5 不同切割角度應(yīng)力、位移分布云圖

根據(jù)圖5可知，當(dāng)切縫角度為0°時(shí)，留巷頂部應(yīng)力集中區(qū)域較大，留巷靠近未回采工作面一側(cè)出現(xiàn)了局部應(yīng)力釋放區(qū)域，釋放區(qū)區(qū)域較小，留巷靠近采空區(qū)一側(cè)出現(xiàn)位移量水平位移量較小，在豎向應(yīng)力作用下，留巷頂板豎向上覆巖層會(huì)出現(xiàn)整體位移，甚至垮落。當(dāng)切縫角度為10°時(shí)，留巷豎向上覆巖層無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象，留巷沿著采空區(qū)一側(cè)整體位移量較大，留巷上覆巖層有效垮落到采空區(qū)內(nèi)，有效控制了采空區(qū)上覆巖層對(duì)留巷的影響。當(dāng)切縫角度為20°時(shí)，留巷未回采一側(cè)區(qū)域出現(xiàn)大面積應(yīng)力釋放區(qū)域，已經(jīng)回采一側(cè)的采空區(qū)內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)域較小，且采空區(qū)上覆圍巖出現(xiàn)整體水平位移，且位移量比較大。

綜合分析，切縫深度5 m時(shí)，無(wú)法起到切縫效果，上覆圍巖存在連續(xù)應(yīng)力集中情況；切縫深度為15 m時(shí)，工程量過(guò)大，且形成位移形變區(qū)域過(guò)大，無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，切縫深度10 m最佳。切縫角度0°時(shí)，影響區(qū)域太小，切縫角度為20°時(shí)，對(duì)為開(kāi)采區(qū)域影響較大，切割角度10°最佳。

4 切頂留巷技術(shù)工程實(shí)施

切頂留巷技術(shù)施工情況如圖6所示。施工位置點(diǎn)位于工作面超前距離50 m范圍內(nèi)，沿著工作面推進(jìn)方形，在預(yù)留巷道頂部施工鉆孔，鉆孔深度為10 m，鉆孔傾角為10°，鉆孔內(nèi)裝藥實(shí)施預(yù)裂爆破，通過(guò)預(yù)裂爆破作用產(chǎn)生的裂紋形成切頂?shù)淖饔谩Ｅ诳字睆綖?0 mm，選用礦用二級(jí)乳化炸藥，φ35 mm×180 mm規(guī)格，炸藥爆速≥3 000 m/s，單卷藥量200 g。裝藥長(zhǎng)度為5 m，封孔長(zhǎng)度為3 m，封孔采用炮泥封孔，鉆孔布置及裝藥情況如圖7所示。只有切縫空內(nèi)裝藥，煤10個(gè)切縫孔為一組進(jìn)行同時(shí)爆破，每次產(chǎn)生裂縫切割頂部縱向長(zhǎng)度為6 m。

圖6 定向切頂技術(shù)施工工序示意圖

圖7 鉆孔布置及裝藥示意圖

爆破后對(duì)留巷進(jìn)行二期支護(hù)，支護(hù)方式采用工字鋼和單體液壓支架進(jìn)行支護(hù)。該工序具體實(shí)施位置點(diǎn)如圖8所示。

圖8 切頂留巷施工位置點(diǎn)區(qū)域示意圖

5 切頂留巷技術(shù)效果考察

施工完成以上鉆孔后，對(duì)切頂區(qū)域頂板離層儀數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)合切頂區(qū)域支護(hù)使用的單體液壓支架應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 切頂區(qū)域留巷頂板離層儀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

圖10 切頂技術(shù)施工區(qū)域單體液壓支架應(yīng)力統(tǒng)計(jì)圖

圖9中，1#測(cè)點(diǎn)、2#測(cè)點(diǎn)、3#測(cè)點(diǎn)沿著工作面回采方向依次排列，三個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為30 m，對(duì)三個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行為期31 d的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，1#測(cè)點(diǎn)深部數(shù)據(jù)最大位移量為160 mm，淺部測(cè)點(diǎn)最大位移量為70 mm，深部和淺部均在第15 d趨向平穩(wěn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回采進(jìn)度情況可知，125220膠運(yùn)順槽在第13 d回采通過(guò)該測(cè)點(diǎn)位置，在該時(shí)間節(jié)點(diǎn)上，1#測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了位移量突增的現(xiàn)象；2#測(cè)點(diǎn)在14～15 d、第23～25 d出現(xiàn)了數(shù)據(jù)突增；3#測(cè)點(diǎn)在13～15 d、25～28 d出現(xiàn)了數(shù)據(jù)突增；之后均區(qū)域平穩(wěn)。2#測(cè)點(diǎn)深部最大位移量150 mm，淺部最大位移量65 mm，出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)時(shí)，回采面推進(jìn)至靠近測(cè)點(diǎn)10 m、18 m；3#測(cè)點(diǎn)深部最大位移量176 mm，淺部最大位移量78 mm，出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)時(shí)，回采面推進(jìn)至距離測(cè)點(diǎn)38 m、50 m。根據(jù)數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果可知，工作面推進(jìn)對(duì)于整個(gè)留巷頂板不同測(cè)點(diǎn)的相應(yīng)時(shí)相互的，留巷與支護(hù)強(qiáng)度滿足安全要求，巷道整體未出現(xiàn)大的變形。

圖10中，1#支架、2#支架、3#支架沿著工作面回采方向依次分布，三個(gè)支架間距1 m，根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，三個(gè)支架在第7 d出現(xiàn)應(yīng)力波動(dòng)，最大應(yīng)力達(dá)到42 MPa，出現(xiàn)應(yīng)力突變情況主要原因?yàn)轫敯鍋?lái)壓，之后區(qū)域平緩是由于切頂技術(shù)的實(shí)施將留巷上覆巖層與采空區(qū)上覆巖層有效分離，分離后，支架主要作用于留巷上覆巖層。

5 結(jié)論

本文以125220膠帶運(yùn)輸順槽實(shí)施留巷切頂為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同切縫長(zhǎng)度、切縫角度數(shù)值模擬研究，現(xiàn)場(chǎng)施工并進(jìn)行后期監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1)數(shù)值模擬演技結(jié)果表明，留巷切縫長(zhǎng)度10 m，切縫角度10°為最佳，可保證切縫效果，對(duì)留巷周圍巖層影響較小。

(2)留巷切頂技術(shù)實(shí)施采用礦用炸藥，裝藥5 m，封孔3 m可達(dá)到預(yù)期效果。

(3)工作面回采通過(guò)位置點(diǎn)，深部最大位移量176 mm，淺部最大位移量78 mm；工作面液壓支架產(chǎn)生波動(dòng)，之后整體區(qū)域平穩(wěn)。支護(hù)措施滿足安全要求，巷道整體未出現(xiàn)大的變形。