預(yù)裂爆破切頂對底板破壞深度及礦壓影響規(guī)律

許延春，張二蒙，馬子民，趙 霖，李志欽，楊勝利

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

隨著簡單地質(zhì)條件可采資源開采強(qiáng)度增加，難采資源安全回采是提高煤炭整體回收率、減少資源浪費(fèi)的必由之路[1，2]。就華北煤田而言，由于長期開采，工作面逐漸轉(zhuǎn)向深部，來自底板奧陶系灰?guī)r承壓水的威脅也隨之增加[3，4]。在對其開采時(shí)，工作面易同時(shí)受到底板承壓水壓力及其采動(dòng)礦壓的影響[5]，形成底板水導(dǎo)通通道，具有極大安全隱患。因此研究承壓水上安全回采對提高煤炭資源回收率減少煤炭資源浪費(fèi)具有重大意義，符合現(xiàn)階段綠色開采要求。

承壓水上采煤一般采用帶壓開采、注漿加固，疏降強(qiáng)排[6]等方法。對大部分礦井而言，底板注漿加固是改善工作面底板力學(xué)性質(zhì)的有效手段，通過對底板進(jìn)行注漿加固，可明顯提高底板的阻、抗水能力和完整性[7]。近些年來，我國一些學(xué)者提出預(yù)裂爆破切頂來改善工作面礦山壓力，以期降低危險(xiǎn)性，提高資源回采率[8-16]。

為進(jìn)一步研究有底抽巷情況下切頂卸壓對底板破壞程度和礦山壓力的影響，以河南焦煤集團(tuán)九里山14141工作面作為工程背景，通過數(shù)值模擬，對比分析不同方案下切頂對底板破裂深度的影響，結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)踐分析不同條件下切頂?shù)V山壓力顯現(xiàn)規(guī)律。為焦作及全國其他具有類似煤與瓦斯突出且受底板水害嚴(yán)重威脅的礦井底板水害防治提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工作面概況

九里山14141工作面位于14采區(qū)西翼下部，南鄰亮馬村斷層防隔水煤柱，北鄰已經(jīng)回采結(jié)束的14121工作面，東鄰14采區(qū)沉淀池保護(hù)煤柱，西鄰井田邊界防隔水煤柱。地面標(biāo)高+90.47～+93.56m，工作面標(biāo)高-181.98～-235.80m，平均走向長度748m，傾向長度111m。煤層平均傾角9.5°，工作面平均煤層厚度6.9m，開采厚度3.5m，工作面運(yùn)輸巷及切眼正下方施工有14141運(yùn)輸、切眼底抽巷，底抽巷與L8灰?guī)r含水層位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 14141工作面底板含水層與底抽巷剖面

頂板基巖厚度約158m。底板隔水層厚度約21.5m，直接充水含水層為L8灰?guī)r含水層，厚度約7.5m，水壓約1.5MPa，經(jīng)計(jì)算其突水系數(shù)為0.07MPa/m，大于該地段臨界值0.06MPa/m；底板隔水層平均厚度約75m，間接充水含水層為L2灰?guī)r含水層，水壓約2.5MPa，經(jīng)計(jì)算突水系數(shù)為0.03MPa/m。工作面采用長壁綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面柱狀如圖2所示。

圖2 14141工作面綜合柱狀

1.2 切頂概況

為保證14141工作面安全生產(chǎn)，減輕工作面底板破壞程度和解決頂板來壓問題，對14141工作面開切眼及運(yùn)輸巷頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂。綜合分析地質(zhì)詳情，借鑒相鄰工作面及巷道爆破經(jīng)驗(yàn)，選擇爆破孔布置方式：

1)沿工作面開切眼傾向向下10m處與大槽中線平行，位于切眼架間，距離煤壁1m處布置一列爆破孔，爆破孔深度10m，傾角+90°，直徑50mm，孔間距1.5m，斷層前后5m不設(shè)爆破孔，共計(jì)48個(gè)。

2)沿運(yùn)輸巷走向，與巷道中線平行，距下幫1.1m，由內(nèi)向外布置1列爆破孔。爆破孔傾角90°，直徑50mm，孔間距1.8m。每兩個(gè)爆破孔中間布置導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔深度12m，傾角+90°，直徑50mm，孔間距1.8m?；夭芍?，在工作面下安全孔向外30m范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)裂爆破；回采過程中，超前下安全孔25m完成預(yù)裂爆破，直至回采結(jié)束，共計(jì)416爆破孔。

2 預(yù)裂爆破底板破壞深度數(shù)值分析

2.1 計(jì)算方案

為研究開切眼和有底抽巷的運(yùn)輸巷切頂對底板破壞程度和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，采用FLAC3D對其進(jìn)行模擬計(jì)算，主要探究工作面開采過程中底板應(yīng)力傳遞規(guī)律、巖體位移形態(tài)和破壞機(jī)制。針對不同條件建立以下3種模擬方案：方案一，開切眼及運(yùn)輸巷頂板不切頂、無底抽巷；方案二，開切眼及運(yùn)輸巷頂板不切頂、有底抽巷；方案三，開切眼及運(yùn)輸巷頂板切頂、有底抽巷。

2.2 建立模型

基于FLAC3D建模原理，根據(jù)九里山14141工作面地質(zhì)條件和煤巖條件建立數(shù)值模型。14141工作面頂?shù)装鍘r體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 14141工作面頂?shù)装鍘r體物理力學(xué)參數(shù)

14141工作面煤層屬于近水平煤層，采用走向長壁布置。為方便計(jì)算，對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，用施加?yīng)力的方法來代替上覆部分巖層，模型長500m，寬500m，高182m。工作面開挖時(shí)，先開挖沿傾向170～220m工作面，再開挖沿傾向220～330m的工作面。整個(gè)模型共劃分為1250800個(gè)單元，1310778個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

煤層受采動(dòng)之前，巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。煤層在采動(dòng)之后形成采動(dòng)空間，導(dǎo)致采場周圍應(yīng)力狀態(tài)重新分布，并產(chǎn)生附加應(yīng)力，在應(yīng)力的產(chǎn)生到重新平衡過程中，底板隔水層出現(xiàn)變形破壞，對三種方案的塑性區(qū)分布及圍巖垂直應(yīng)力分布進(jìn)行對比分析如下。

3.1 底抽巷對底板破壞程度的影響分析

為了研究底抽巷對底板破壞程度的影響，選擇方案一(不切頂、無底抽巷)和方案二(不切頂、有底抽巷)模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1.1 塑性區(qū)分布規(guī)律

由圖3可知，在工作面開挖后，底板破壞主要是在煤壁附近的剪切破壞造成的，因此可以認(rèn)為集中應(yīng)力在煤壁處造成的剪切破壞帶即底板破壞深度。采空區(qū)底板巖層主要受拉應(yīng)力產(chǎn)生拉伸破壞，形成拉塑性破壞區(qū)，發(fā)生底鼓。即方案一數(shù)值模擬底板破壞深度為12.5m。

圖3 方案一工作面塑性區(qū)分布

由圖4可知，在不切頂情況下，有底抽巷工作面與無底抽巷工作面頂?shù)装逭w破壞形態(tài)大致類似。由于底抽巷周圍巖體在集中應(yīng)力作用下發(fā)生破壞形成巷道圍巖松動(dòng)圈，溝通底板剪切破壞帶，擴(kuò)大底板破壞深度。方案二數(shù)值模擬底板破壞深度為14.5m，較方案一增加16%。

圖4 方案二工作面塑性區(qū)分布及局部放大

對比方案一和方案二工作面塑性區(qū)分布情況可以得出，在不切頂情況下，有底抽巷工作面底板破壞深度大于無底抽巷工作面，說明由于底抽巷圍巖松動(dòng)圈的存在，溝通底板剪切破壞帶，使底板破壞深度加大。

3.1.2 圍巖垂直應(yīng)力場分布規(guī)律

由圖5可知，煤層開采后圍巖出現(xiàn)不同程度的卸壓和應(yīng)力集中。在采空區(qū)上部、下部巖體出現(xiàn)卸壓，發(fā)生拉破壞；在煤壁前方出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大值一般位于工作面兩側(cè)煤壁上方，發(fā)生剪切破壞。應(yīng)力集中程度隨著深度的增加逐漸衰減，底板所受應(yīng)力明顯減小。在應(yīng)力傳遞過程中，若超過其途經(jīng)巖體的自身強(qiáng)度，則會(huì)造成途經(jīng)巖體的破壞。破壞巖體通過變形、位移等形式釋放能量，承載能力降低，其所受應(yīng)力繼續(xù)向遠(yuǎn)處傳遞，破壞區(qū)也也繼續(xù)向遠(yuǎn)處和深處發(fā)展，直到傳播的應(yīng)力低于巖體自身強(qiáng)度為止。

圖5 方案一工作面垂直應(yīng)力分布

由圖6可知，在不切頂情況下，有底抽巷工作面與無底抽巷工作面垂直應(yīng)力分布形態(tài)大致類似，底抽巷周圍形成一定程度上的應(yīng)力集中，從而使巷道周圍發(fā)生一定程度上的拉剪破壞，最終形成巷道圍巖松動(dòng)圈，擴(kuò)大底板破壞深度。

圖6 方案二工作面垂直應(yīng)力分布及局部放大

通過在底抽巷上方1m處布置應(yīng)力測線，每隔1m布置一個(gè)測點(diǎn)，調(diào)取測點(diǎn)的應(yīng)力值，對比方案一與方案二工作面開采后底抽巷周圍巖體應(yīng)力變化如圖7。由圖7可以看出，在工作面開采過后，煤壁內(nèi)側(cè)會(huì)形成應(yīng)力集中，采空區(qū)卸壓；而有底抽巷工作面開采時(shí)，底抽巷靠近煤壁一側(cè)巖體的應(yīng)力集中程度升高12.8%，而上方巖體則出現(xiàn)卸壓，產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成拉破壞。

圖7 方案一、二底抽巷上方1m處測線測點(diǎn)應(yīng)力值對比

由圖7可知，底抽巷位置(傾向326-330m)處于應(yīng)力集中區(qū)，不利于巷道的維護(hù)。

3.2 切頂對底板破壞程度的影響分析

為了研究工作面開切眼以及運(yùn)輸巷切頂對底板破壞程度的影響，選擇方案二(不切頂、有底抽巷)和方案三(切頂、有底抽巷)模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.2.1 塑性區(qū)分布規(guī)律

工作面塑性區(qū)分布如圖8所示，該方案在工作面開采后呈現(xiàn)與方案二相似的塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律，即在煤壁附近主要發(fā)生剪切破壞，而在采空區(qū)底板淺部主要發(fā)生拉張破壞。方案三數(shù)值模擬底板破壞深度為14.5m。

圖8 方案三工作面塑性區(qū)分布及局部放大

但對比圖8和圖4可以看出其呈現(xiàn)出：①塑性區(qū)進(jìn)入煤壁的距離減小，可以認(rèn)為工作面切頂起到卸壓效果，使煤壁內(nèi)部應(yīng)力集中程度降低，隨之煤壁內(nèi)部發(fā)生塑性破壞的范圍比不切頂工作面小，從而降低了底板破壞影響范圍。②底抽巷圍巖松動(dòng)圈范圍減小，同樣可以認(rèn)為工作面切頂起到卸壓效果，使底抽巷周圍巖體應(yīng)力集中程度降低，從而降低了底抽巷圍巖松動(dòng)圈范圍。③由于計(jì)算精度的問題，底板破壞深度沒有明顯降低，但是破壞程度降低。

3.2.2 圍巖垂直應(yīng)力場分布規(guī)律

根據(jù)圖9工作面垂直應(yīng)力分布圖可以得出，該方案在工作面開采后呈現(xiàn)與方案二相似的垂直應(yīng)力分布規(guī)律，即在煤壁內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中，而在采空區(qū)上部、下部出現(xiàn)卸壓，形成應(yīng)力釋放。

圖9 方案三工作面垂直應(yīng)力分布

對比圖9和圖6可知，底抽巷附近垂直應(yīng)力分布狀態(tài)大致呈現(xiàn)出由靠近煤壁一側(cè)到靠近采空區(qū)一側(cè)逐漸遞減的趨勢，其中在底抽巷正上方出現(xiàn)卸壓，形成應(yīng)力釋放。

通過在底抽巷上方1m處布置一條應(yīng)力測線，每隔1m布置一個(gè)測點(diǎn)，調(diào)取測點(diǎn)的應(yīng)力值，對比方案三與方案二工作面開采后底抽巷周圍巖體應(yīng)力變化，如圖10所示。由圖10可知，切頂后的工作面的垂直應(yīng)力分布規(guī)律：①在煤壁內(nèi)側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)峰值點(diǎn)進(jìn)入煤壁的距離減小，應(yīng)力影響范圍減小，這與切頂后煤壁內(nèi)側(cè)塑性區(qū)范圍縮小的現(xiàn)象是一致的。②在煤壁內(nèi)側(cè)應(yīng)的力峰值降低，應(yīng)力集中程度降低，切頂后的應(yīng)力峰值是比不切頂情況下低6.8%。綜合分析表明，切頂可以在一定程度上降低底板破壞程度。

圖10 方案二、三底抽巷上方1m處測線測點(diǎn)應(yīng)力值對比

4 切頂卸壓底抽巷工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

4.1 觀測方法

使用HY60L系列礦用本安型藍(lán)牙壓力計(jì)，KT217-S3礦用本安型手機(jī)適用于綜采或單體工作面支架或支柱的工作阻力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。在14141工作面皮帶巷距煤壁70m處垂直煤幫依次鉆取三組水平鉆孔，鉆孔間距為20m，每個(gè)鉆孔深度15m。鉆孔布置如圖11所示。

圖11 礦壓觀測孔布置(m)

4.2 觀測結(jié)果分析

4.2.1 基本頂初次來壓

14141工作面推進(jìn)到19-27m時(shí)，工作面頂板下移速度出現(xiàn)峰值，支架阻力和活柱下縮量出現(xiàn)增大現(xiàn)象，這是由基本頂斷裂下沉造成，是基本頂初次垮落預(yù)兆。支架阻力曲線如圖12所示。

圖12 基本頂初次來壓支架阻力

從圖12可知，在工作面推進(jìn)24m時(shí)，6#測點(diǎn)支架阻力開始上升，推進(jìn)至30.5m，支架阻力到達(dá)峰值，但并沒有開啟安全閥；3#測點(diǎn)支架阻力在工作面推進(jìn)到27m時(shí)達(dá)到峰值，在29.5m后開始減小，未超過安全閥開啟值；1#測點(diǎn)支架阻力也在工作面推進(jìn)到27m時(shí)達(dá)到峰值，未超過安全閥開啟值。

14141工作面煤層屬于近水平煤層，但仍是有一定角度的，所以基本頂初次來壓具有分區(qū)段現(xiàn)象，即工作面上部來壓大于下部且超前下部大約3m，且工作面上部來壓持續(xù)時(shí)間較下部長，綜合可知工作面初次來壓步距為22～27m。

4.2.2 基本頂周期來壓

觀測初次來壓之后支架阻力升高的區(qū)域，支架阻力降低至恢復(fù)穩(wěn)定后到下一次升高的距離即為周期來壓的步距，如圖13所示。

圖13 周期來壓支架阻力

工作面下部支架較工作面中部支架，支架最大壓力減小657.5kN，降低了10.47%；平均壓力減小266.7kN，降低了8.7%；較工作面上部支架最大壓力減小467.2kN，降低了7.4%；平均壓力減小919kN，降低了30.0%。根據(jù)最大工作阻力數(shù)據(jù)，工作面中部支架阻力較大，上部次之，下部最小，出現(xiàn)這種情況是與工作面中部頂板存在小的斷層構(gòu)造和初支撐力不足有關(guān)，而支架平均工作阻力則是同理論預(yù)測的下部最小，中部次之，上部最大相同。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際觀測結(jié)果，周期來壓期間煤壁片幫情況出現(xiàn)次數(shù)極少，而且片幫范圍均很小。支架安全閥開啟次數(shù)少，支架平均工作阻力為16.33MPa，約為支架額定工作阻力35MPa的50.5%，支架最大工作阻力為33.95MPa，約為支架額定工作阻力35MPa的97%，雖然較為接近支架的額定工作阻力，但是通過數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場觀測判斷，最大工作阻力只是瞬時(shí)壓力，發(fā)生次數(shù)極少，且持續(xù)時(shí)間極短，不能完全說明支架受力加大。以上數(shù)據(jù)可以說明工作面正常推進(jìn)和頂板來壓時(shí)，額定工作阻力還有比較大的剩余，支架能滿足支撐頂板的要求。

由地質(zhì)資料可知14121和14141工作面為相鄰工作面，兩個(gè)工作面所采煤層賦存條件和開采技術(shù)條件相同，14121工作面沒有較大斷層，也沒有采取預(yù)裂爆破切頂，其工作面初次來壓步距48m，周期來壓步距18～21m，來壓期間支架工作阻力高達(dá)6500kN，部分支架有液壓閥開啟現(xiàn)象。采取預(yù)裂爆破切頂?shù)?4141工作面初次來壓步距22～27m，周期來壓步距10～15m，來壓期間支架最大工作阻力5300kN，來壓并不明顯。因此，可推斷14141工作面采取預(yù)裂爆破切頂有效減小工作面來壓步距，降低工作面來壓強(qiáng)度。

實(shí)施預(yù)裂爆破技術(shù)，能夠有效減小工作面初次來壓和周期來壓步距。對14141工作面開切眼和運(yùn)輸巷實(shí)施深孔預(yù)裂爆破，開切眼和運(yùn)輸巷頂部巖體產(chǎn)生大量裂隙，實(shí)現(xiàn)頂板預(yù)裂的目的，能夠有效降低工作面老頂初次來壓強(qiáng)度，減小工作面生產(chǎn)的危險(xiǎn)性和礦山壓力對綜采設(shè)備、設(shè)施的破壞?；卷斣诔醮蝸韷浩陂g，來壓強(qiáng)度小，持續(xù)時(shí)間短，沒有發(fā)生采空區(qū)瓦斯集中涌出和瓦斯超限現(xiàn)象。周期來壓強(qiáng)度不明顯，來壓步距平均只有11m左右，甚至有些區(qū)段監(jiān)測不到來壓。

5 結(jié) 論

1)未經(jīng)預(yù)裂爆破切頂?shù)挠械壮橄镞\(yùn)輸巷底板破裂深度相較于無底抽巷巷道，其底板破裂深度為14.5m，增加16%，其底抽巷圍巖松動(dòng)圈易與底板剪切破壞帶溝通，導(dǎo)致底板破壞深度增加。

2)預(yù)裂爆破切頂對底板破壞深度影響較小，該技術(shù)主要通過降低巷道底板破壞程度，減小底抽巷圍巖松動(dòng)圈范圍從而降低底板突水危險(xiǎn)性。

3)對工作面開切眼和運(yùn)輸巷預(yù)裂爆破切頂，可以有效切斷礦壓傳遞途徑，減少采面初次來壓和周期來壓步距，減少煤壁向底板傳遞的壓力，從而減少底板破裂深度。