沿空留巷切頂技術研究與應用

糜瑞杰,辛青峰,李 堯,成升升,付正鵬,秦 煜

(1.山西焦煤汾西礦業(yè)東瑞煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 042404;2.中國移動通信集團山西有限公司臨汾分公司,山西 臨汾 041000)

沿空留巷切頂卸壓是通過在留巷巷道的頂板進行定向切縫,切斷待留巷巷道頂板與回采后的頂板部分的壓力傳遞,從而利用回采側頂板部分巖體,實現(xiàn)自動成巷和無煤柱開采,實現(xiàn)了長壁開采110工法,即回采一個工作面只需要掘進一個順槽巷道,另一個順槽巷道自動形成,成功實現(xiàn)了采區(qū)間無煤柱開采。

沿空留巷切頂卸壓由于能夠在采區(qū)間不留設煤柱而成為當前國內外煤礦開采研究的熱點,且在山西等產煤大省實現(xiàn)了工程應用[1-2]。而切頂卸壓技術決定了沿空留巷的留巷效果,王傳繩[3]對切頂卸壓技術在薄及中厚煤層沿空留巷中的應用進行了研究,證實了沿空留巷技術的可行性。何滿潮等[4-5]對切頂卸壓沿空留巷的理論、圍巖結構控制及其工程應用進行了研究。目前針對沿空留巷切頂卸壓技術的研究大多集中在聚能切縫爆破技術[6-8],對于水力壓裂弱化切頂技術、密集鉆孔弱化頂板研究還比較少,缺乏對切頂卸壓技術的對比和應用研究。因此，本文通過對沿空留巷常見的3種切頂卸壓技術進行整體的理論分析和評價,對比東瑞煤業(yè)2101輔運順槽運用這3種切頂卸壓技術的應用效果,從切頂效果、施工速度以及對圍巖的影響程度對這3種切頂卸壓技術進行了探討。

1 三種切頂技術對比

1.1 聚能切縫爆破技術

沿空留巷切頂最常用的方法是聚能切縫爆破技術,即通過對 PVC 管打孔或切槽加工成聚能管裝置,將炸藥裝入此聚能管中,可達到理想的預制裂縫和切頂?shù)男Ч?。通過聚能管和炸藥的結合使用,可實現(xiàn)炸藥爆炸能量沿聚能管導向方向的定向傳遞,進而實現(xiàn)頂板巖體沿切縫方向定向破裂[4]。其原理如圖1所示。該技術具有以下優(yōu)點:

1)切頂效果。利用巖體耐壓怕拉的特性,使巖石按設定方向斷裂,該過程所產生的爆轟壓力大,可產生良好的致裂效果。圖2為應用效果示意圖,切頂縫通透率高、線形筆直、斷面平整。

2)施工速度。聚能切縫爆破技術可超前工作面作業(yè),施工速度相對較快。

3)保護巷道。聚能管切槽部分釋放的能量是非切槽部分的14倍,爆破裂隙沿指定方向擴展,不會影響巷道頂板,保證了頂板完整性。

4)材料消耗。切頂爆破所需要的材料費用低,工人勞動強度小,操作簡單。

技術缺點為:爆破施工時需要所有人員撤離,不能與采煤平行作業(yè),因此爆破施工一般在檢修班進行；炸藥、雷管等爆破材料具有一定危險性，必須嚴格管制。

圖1 雙向聚能張拉爆破作用原理示意圖Fig.1 Principle of bilateral energy-cumulative tensile blasting

圖2 聚能爆破切縫效果Fig.2 Slotting effect of the energy-cumulative blasting

1.2 水力壓裂弱化切頂技術

通過水壓致裂弱化巖體的整體強度是采用水壓致裂技術處理堅硬頂板的關鍵[9]。水壓致裂對巖體的弱化主要體現(xiàn)在兩方面:一是通過水壓裂縫的起裂和擴展,改造巖體的宏、微觀結構,弱化巖體的力學性能;二是通過水對巖石的物理化學作用,降低巖石的力學性能。二者共同作用弱化巖體的力學性能,降低頂板巖石的整體強度,使頂板及時垮落,減小頂板來壓強度,防止頂板突然垮落而導致的沖擊地壓、暴風等危害。水力壓裂形成的裂縫擴展形態(tài)如圖3所示。

(a)典型水壓裂縫形態(tài)

(b)水壓裂縫空間轉向形態(tài)圖3 巖石水壓致裂的裂縫擴展形態(tài)Fig.3 Fracture propagation pattern caused by hydraulic fracturing

技術優(yōu)點包括:水力壓裂施工過程中動力擾動小,安全性高；作業(yè)環(huán)境好,基本無危害,適用范圍廣；水力壓裂單孔控制范圍大,工程量?。荒軌蚋鶕?jù)需要實現(xiàn)遠距離深孔致裂,控制距離大。

技術缺點包括:一是相比聚能切縫爆破技術,裂

縫成型質量較差,由于水壓壓力遠小于爆轟壓力,在鉆孔遠處的致裂效果遠不如聚能爆破。圖4為水力壓裂的應用效果圖,可以看出有切縫彎曲、通透率低等缺點,切縫效果較差。二是水壓致裂施工過程中需要逐段施工,耗費時間長、工序繁瑣，且靠近巷道處需預留較長的封堵段無法致裂,影響施工進度及工程質量。三是因為水具有弱化巖石強度的作用,且水壓作用下圍巖松動圈內原有裂隙會積蓄擴展,若水壓致裂的位置位于頂板較近處,會破壞圍巖完整性,支護難度大大增加。

圖4 水力壓裂效果圖Fig.4 Hydraulic fracturing effect

1.3 密集鉆孔弱化頂板技術

當卸壓鉆孔足夠密集,鉆孔開挖形成的破裂區(qū)、塑性區(qū)將互相疊加,疊加區(qū)域力學性能弱于非疊加區(qū)域,極大程度上加強了切縫方向的破壞作用,大大降低了切縫區(qū)域卸壓鉆孔產生非定向裂縫的可能性。同時,在切縫方向初始定向裂紋形成之后,卸壓鉆孔孔壁周圍介質內形成應力松弛區(qū),也在一定程度上抑制了其他方向上裂紋的形成[10]。其原理如圖5所示。

圖5 鉆孔卸壓區(qū)疊加示意圖Fig.5 Superposition of borehole pressure relieving zones

技術優(yōu)點為:密集孔施工通過鉆孔形成破碎區(qū)進行切頂,不需要通過額外加壓進行切頂,可有效減少對周圍巖體的擾動；施工設備簡單,僅需要一臺鉆孔機,便于運輸。技術缺點為:密集孔施工并未完全將頂板切開,所形成的切縫線為一條破碎的碎巖帶,切頂效果差,不利于頂板垮落；現(xiàn)有的理論研究對巖石性質了解還有欠缺,具體關鍵性參數(shù)應根據(jù)巷道實際所處的巖石環(huán)境確定,若控制參數(shù)不嚴謹或存在不規(guī)則裂隙等不確定因素,產生非定向裂縫的可能性會大幅上升,從而影響圍巖穩(wěn)定性。

1.4 切頂方法的整體評價

1)切頂效果。聚能切縫爆破技術通過爆炸產生的爆轟壓力遠大于水壓壓力,切頂效果最好；而密集孔施工所產生的破碎帶縫隙間摩擦力大,存在大量連結的巖石,不利于垮落。就施工效果而言:聚能切縫爆破切頂>水力壓裂切頂>密集孔切頂。

2)施工速度。密集孔不需要爆破和水力壓裂,只需要多打密集孔;聚能切縫爆破技術超前工作面作業(yè),為不影響正?；夭?只能在檢修班施工；而水力壓裂技術需要逐段注水壓裂。就施工速度而言:密集孔切頂>聚能切縫爆破切頂>水力壓裂切頂。

3)對圍巖影響。密集孔只需要在特定切縫上進行鉆孔,對周圍破壞程度最小；聚能預裂爆破可在設定方向上產生均勻的壓力,對非切割段圍巖影響相對較小；而水壓致裂存在水弱化作用的影響以及密集孔施工受不確定裂隙的影響,對圍巖破壞程度較大。就圍巖破壞程度而言:水力壓裂切頂>聚能切縫爆破切頂>密集孔切頂。

在考慮沿空留巷切頂技術時,需要綜合考慮礦井施工條件,當井下瓦斯影響不大,爆破材料充足時,應當首先考慮聚能切縫爆破;當井下瓦斯影響較大,并且對施工速度要求不高時,可以優(yōu)先采用水壓致裂技術;當施工速度要求較高,煤層頂板條件較好且施工技術受限時,可以優(yōu)先采用密集孔切頂技術。

2 東瑞煤業(yè)實際應用切頂技術的效果對比分析

2.1 聚能切縫爆破技術應用

基于上述評價,聚能切縫爆破最適用于沿空留巷。針對東瑞煤礦應用情況,對切頂高度、切頂角度、炮孔間距、裝藥結構方案進行理論計算,爆破參數(shù)設計如表1所示。

表1 聚能切縫爆破參數(shù)表Table 1 Parameters of the energy-cumulative and slotting blasting

在切頂效果上,采用鉆孔窺視儀觀測了聚能切縫爆破效果,如圖6所示?？梢钥闯觯诜舛虏糠殖霈F(xiàn)了少量爆破裂紋,在裝藥段炮孔兩側出現(xiàn)了明顯的兩側切縫。

圖6 聚能切縫爆破鉆孔窺視結果Fig.6 Borehole peeping results of the energy-cumulative and slotting blasting

然而,經過留巷100 m后觀察留巷情況發(fā)現(xiàn)圖7中的現(xiàn)象,巷道頂板整體傾斜,恒阻錨索的鎖具幾乎沒有縮進,可能存在頂板失效情況,頂板出現(xiàn)從U型鋼處斷開的現(xiàn)象。觀察巷幫發(fā)現(xiàn)，煤幫向巷道移進，單體支柱有串底現(xiàn)象。

進一步分析中可知,統(tǒng)計列舉了聚能切縫爆破期間巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟?如圖8所示。巷道頂?shù)装逡平吭?00～400 mm,兩幫收斂量在200～700 mm。由于實際觀察到明顯的巷道頂板下沉,因此圖8(a)中頂?shù)装逡平恐饕琼敯鍓毫Υ髮е马敯逑鲁?進一步導致煤幫破壞并向巷道移進。

(a)巷道變形

(b)現(xiàn)場頂板下沉照片圖7 應用聚能切縫爆破技術后巷道變形Fig.7 Roadway deformation after the energy-cumulative and slotting blasting

(a)頂?shù)装逡平?/p>

(b)兩幫收斂量圖8 聚能切縫爆破期間巷道圍巖變形量Fig.8 Surrounding rock deformation during the energy-cumulative and slotting blasting

根據(jù)上述應用情況總結問題如下:采取4.5 m切頂高度不足,上覆頂板壓力大導致頂板下沉,因此需要提高切頂高度,相應地提高錨索長度；由于煤幫向巷道移進,因此實體煤幫需要良好的加固,采用錨桿+鋼帶固幫；U型鋼存在側傾現(xiàn)象,可采用底部焊接鋼板或者削尖來固定；在頂板下沉的同時,也存在單體穿底,存在少量底鼓現(xiàn)象,需要及時起底。

2.2 水力壓裂弱化切頂技術應用

受高瓦斯礦井和火工品影響,并且基于聚能切縫爆破在東瑞沿空留巷效果不佳,展開了水力壓裂弱化切頂技術試驗研究。結合東瑞煤礦實際情況,對水力壓裂鉆孔深度、角度、間距、直徑、以及壓裂方式進行了理論計算,水力壓裂參數(shù)設計如表2所示。

采用水力壓裂施工時間較短,水力壓裂切頂后對沿空留巷圍巖變形影響情況未能體現(xiàn),缺乏水力壓裂切頂對留巷圍巖變形的監(jiān)測數(shù)據(jù),并且在施工中主要遇到以下問題:

1)水力壓裂設計參數(shù)不合適,無法保證切頂垂深達到預計效果,并且相比聚能切縫爆破技術和密集孔切頂技術,裂縫成型質量較差,在鉆孔遠處的致裂效果遠不如聚能爆破。

2)水壓致裂施工需要頂板水力壓裂包括封孔、高壓水壓裂、保壓注水等3項主要工序,高壓水泵、高壓供水膠管、儲能器、封孔器、下封孔器注水管等專業(yè)設備,需要專人對操作設備進行學習,由于工人素質較低,操作始終較為生疏,導致在施工過程中需要逐段施工,耗費時間長、工序繁瑣、靠近回采面處需預留較長的封堵段無法致裂，且注水鋼管容易卡在鉆孔內,影響施工進度及工程質量。

3)因為水具有弱化巖石強度的作用,且水壓作用下圍巖松動圈內原有裂隙會積蓄擴展,若水壓致裂的位置位于頂板較近處,出現(xiàn)了在壓裂時將附近原有頂板離層儀沖出的情況,并且在一定程度上會破壞圍巖完整性,后期支護難度、支護效果與支護費用也會增大。

為了確?；夭蛇M度和切頂效果,在短暫對水力壓裂弱化切頂技術進行現(xiàn)場試驗后,考慮到現(xiàn)場實際施工進度的要求,東瑞煤礦及時對沿空留巷進行了密集孔弱化頂板技術設計。

表2 水力壓裂切頂參數(shù)表Table 2 Hydraulic fracturing roof cutting parameters

2.3 密集鉆孔弱化頂板技術應用

在距采空區(qū)側200 mm處鉆設一排切頂孔,切頂孔深6 m,切頂孔向采空區(qū)側傾斜15°(切頂角度15°),切頂孔間距為250 mm。切頂孔平面布置示意圖如圖9所示,切頂參數(shù)匯總如表3所示。鑒于聚能切縫爆破技術和水力壓裂弱化切頂技術應用效果較差,及時變更設計采用了密集孔切頂方法。目前在架后100 m范圍內觀察留巷效果較好,如圖10所示,巷道頂板基本沒有發(fā)生下沉,有少量底鼓現(xiàn)象,且巷幫移近量較小。

圖9 切頂孔平面布置示意圖Fig.9 Layout of the roof-cutting boreholes

鉆孔深度/m鉆孔角度/(°)鉆孔間距/mm鉆孔直徑/mm 61525050

(a)留巷效果

(b)巷道頂板與單體支柱鉸接頂梁搭接處圖10 架后100 m范圍內的留巷效果Fig.10 Entry retaining effect within 100 m behind the shelf

在架后100～300 m位置,觀察巷道部分位置的恒阻錨索往回進,如圖11(a)所示,說明存在頂板下沉現(xiàn)象。此外,由于前期巷道維護時采用了地面硬化處理,很多區(qū)域出現(xiàn)了底鼓頂裂硬化地面的情況,如圖11(b)。此外,觀察到架后200～300 m的部分位置出現(xiàn)了嚴重的兩幫收斂,留巷側和實體煤幫均有明顯的移進,且頂板出現(xiàn)破碎大坑,根據(jù)工作面布置圖可以發(fā)現(xiàn),該處可能是F9斷層位置,該段區(qū)域應該加強支護。

(a)恒阻錨索向內縮進

(b)硬化地面被底鼓破壞圖11 架后100～300 m出現(xiàn)頂板下沉與底鼓Fig.11 Roof subsidence and floor heave from 100 to 300m behind the shelf

工作面端頭支架會破壞恒阻錨索支護,錨索外露部分被擠壓,如圖12所示,可能存在失效,盡管在旁邊已經修護,但這些位置的下沉量比未破壞位置要大。

圖12 恒阻錨索被端頭支架擠壓Fig.12 Constant resistance anchor cable squeezed by end support

統(tǒng)計列舉了密集孔留巷期間頂?shù)装逡七M量和兩幫移進量,如圖13所示?？梢钥闯?在工作面推進139～380 m范圍內,頂?shù)装逡七M量基本在400 mm以內,兩幫移進量基本在300 mm以內。相比聚能切頂爆破的留巷效果有所改善,原因在于切頂高度提高以及支護強度增加,一方面減少了頂板壓力,另一方面提高了支撐頂板的能力。此外,可以看出爆破切頂區(qū)段的巷道頂板基本穩(wěn)定。

(a)頂?shù)装逡平?/p>

(b)兩幫移進量圖13 密集孔沿空留巷期間頂?shù)装寮皟蓭鸵平縁ig.13 Roof-to-floor and side-to-side convergence during gob-side entry retaining with dense boreholes

根據(jù)上述應用情況總結如下:從現(xiàn)場觀察看,架后100 m范圍內的留巷效果較好,但架后100～300 m出現(xiàn)頂板下沉以及兩幫移進較為明顯；在大約F9斷層位置,出現(xiàn)了明顯的兩幫移進,頂板破碎現(xiàn)象；工作面端頭支架會破壞恒阻錨索導致失效；對比密集孔切頂和爆破切頂效果,密集孔切頂留巷效果相對較好。

3 結論

本文通過對沿空留巷切頂卸壓的3種常規(guī)技術進行了分析和應用研究,得到以下結論。

1)應用研究表明,就施工效果而言:聚能切縫爆破切頂>水力壓裂切頂>密集孔切頂；就施工速度而言:密集孔切頂>聚能切縫爆破切頂>水力壓裂切頂速度；就圍巖破壞程度而言:水力壓裂切頂速度>聚能切縫爆破切頂>密集孔切頂。

2)根據(jù)東瑞礦的施工經驗結合本文對3種切頂技術的分析,可以得知,在低瓦斯礦井和火工品充足的礦井,優(yōu)先采用聚能切縫爆破技術;在高瓦斯礦井和工人素質較高的礦井,優(yōu)先考慮水力壓裂技術;在施工進度要求較高、圍巖條件較好及技術要求較低的礦井,優(yōu)先考慮密集孔切頂技術。

3)本文由于采取水力壓裂技術進行切頂時時間較短,水力壓裂切頂后對沿空留巷圍巖變形影響情況未能體現(xiàn),缺乏水力壓裂切頂對留巷圍巖變形的監(jiān)測數(shù)據(jù),可以在下個工作面回采期間對水力壓裂切頂技術對留巷圍巖變形的影響進行深入的研究,以進一步對3種常見切頂技術比較分析。綜合來看沿空留巷切頂技術需要根據(jù)理論計算、施工經驗以及礦井實際情況來綜合考量,多進行試驗,才能有選取最適用于本礦井的合理切頂技術與施工方案。