切頂參數(shù)對(duì)沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的影響研究

盛奉天張勇魏文勝段玉清毛凱斌

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院,北京 100083;2.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西介休 032000

目前,我國(guó)大多數(shù)井工礦井的煤炭生產(chǎn)體系為1 個(gè)采煤工作面需布置2 條回采巷道并留設(shè)1 條保護(hù)煤柱,這種采煤工藝成本高、資源浪費(fèi)嚴(yán)重,已經(jīng)不符合新常態(tài)下能源革命的要求,亟需高新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)采煤工藝進(jìn)行改造[1-3]。沿空留巷技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效途徑之一,即工作面推進(jìn)后,通過(guò)巷旁充填體支護(hù),沿采空區(qū)邊緣將本工作面1條回采巷道保留下來(lái)供下一工作面繼續(xù)使用,從而取消區(qū)段煤柱,避免資源浪費(fèi)[4]。

自沿空留巷技術(shù)發(fā)展以來(lái),學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。孫恒虎等[5]建立了沿空巷道支護(hù)體與圍巖關(guān)系的力學(xué)模型,得到了沿空巷道支護(hù)阻力的計(jì)算公式;柏建彪、陳勇等[6-7]總結(jié)了沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程,分析了巷內(nèi)支護(hù)與圍巖應(yīng)力分布的關(guān)系,并揭示了巷內(nèi)支護(hù)機(jī)理;張農(nóng)、韓昌良等[8-9]通過(guò)力學(xué)分析揭示了巷旁支護(hù)體的穩(wěn)定機(jī)理,分析了采空側(cè)楔形區(qū)頂板傳遞承載機(jī)制,提出了沿空留巷圍巖控制原理;李迎富、華心祝等[10-11]總結(jié)了我國(guó)沿空留巷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題,通過(guò)建立關(guān)鍵塊和直接頂?shù)牧W(xué)模型,分析了關(guān)鍵塊與沿空留巷圍巖相互作用機(jī)制,推導(dǎo)出巷旁支護(hù)阻力及巷旁支護(hù)體寬度的計(jì)算公式;趙勇強(qiáng)等[12]等利用物元分析法和層次分析法對(duì)沿空留巷穩(wěn)定性等級(jí)進(jìn)行了評(píng)價(jià),為圍巖的返修控制提供了依據(jù)。

眾多學(xué)者的研究使得沿空留巷技術(shù)取得了一定的發(fā)展,但由于巷旁支護(hù)體位于應(yīng)力集中區(qū),易失穩(wěn)、變形大、留巷質(zhì)量差的問(wèn)題仍然制約著該技術(shù)的發(fā)展。為此,何滿潮等[13]提出了切頂卸壓沿空留巷技術(shù),通過(guò)頂板定向預(yù)裂切縫,切斷部分頂板的礦山壓力傳遞,利用頂板巖層壓力和頂板部分巖體保留巷道,形成切頂卸壓沿空留巷開采技術(shù)。此技術(shù)已在多個(gè)礦井、多種地質(zhì)條件下成功應(yīng)用并推廣。張國(guó)鋒等[14]研究了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在白皎礦中的應(yīng)用;孫曉明、郭志飆等[15-16]研究了薄煤層中切頂卸壓沿空留巷的關(guān)鍵參數(shù),并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用;李民族等[17]提出了堅(jiān)硬頂板條件下切頂沿空留巷的深淺孔組合聚能爆破技術(shù);高玉兵等[18]研究了切頂卸壓沿空留巷技術(shù)在厚煤層應(yīng)用過(guò)程中碎石幫的控制技術(shù);張禮等[19]研究了大傾角煤層條件下切頂留巷不同階段頂板結(jié)構(gòu)演化特征;劉小強(qiáng)等[20]研究了軟弱破碎圍巖條件下該技術(shù)的應(yīng)用。

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)已日趨成熟,在切頂參數(shù)方面,以往研究大多是根據(jù)留巷煤幫應(yīng)力分布情況及頂板下沉量來(lái)確定最佳參數(shù),而對(duì)切頂參數(shù)影響下頂板垮落形態(tài)及對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響研究較少。因此,本文以汾西礦區(qū)曙光礦1226 工作面為工程背景,對(duì)不同切頂參數(shù)下頂板垮落形態(tài)及圍巖穩(wěn)定性展開研究,為該技術(shù)在曙光礦的成功實(shí)施奠定基礎(chǔ),也可為整個(gè)汾西礦區(qū)無(wú)煤柱開采技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工作面概況

曙光礦在采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)前,回采1 個(gè)工作面需掘進(jìn)2 條巷道,留設(shè)20 m 區(qū)段煤柱,工作面回采過(guò)程中巷道圍巖變形大,支護(hù)困難。1226 工作面為曙光礦首個(gè)采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的工作面,其可采走向長(zhǎng)度1 562 m,傾向長(zhǎng)度180.5 m,工作面位置如圖1所示。現(xiàn)采用綜合機(jī)械化采煤法開采2 號(hào)煤,全部垮落法控制頂板。煤層平均厚度2.85 m,傾角0°～4°,平均埋深524 m;直接頂為粉砂泥巖,平均厚度為4.0 m;基本頂為細(xì)粒砂巖,平均厚度6.0 m;直接底為粉砂巖,平均厚度1.2 m;基本底為含砂泥巖,平均厚度3.8 m。工作面柱狀圖如圖2所示。

圖1 工作面位置Fig 1 .Position of working face

圖2 工作面柱狀圖Fig.2 Histogram of working face

1.2 切頂前巷道支護(hù)方案

1226 工作面運(yùn)輸巷為切頂留巷巷道,其斷面為矩形,凈寬4.7 m,凈高3.5 m。頂板布置6 根?20 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿,間、排距為850 mm、1 000 mm。錨索布置2 列,規(guī)格為?21.6 mm×6 500 mm,第一列錨索排距2 000 mm,第二列錨索排距1 000 mm,兩排依次循環(huán)。恒阻大變形錨索規(guī)格為?21.8 mm×13 000 mm,共布設(shè)2 列,第一列排距1 000 mm,第二列排距2 000 mm,兩排依次循環(huán)。巷道兩幫每排各布置4根規(guī)格為?20 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿,間、排距為850 mm、1 000 mm,如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)斷面(單位:mm)Fig.3 Support section diagram of roadway

2 切頂參數(shù)對(duì)留巷圍巖穩(wěn)定性影響的理論分析

對(duì)頂板實(shí)施超前預(yù)裂爆破后,留巷上方頂板形成切頂“短臂梁”結(jié)構(gòu)?！岸瘫哿骸苯Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定直接影響留巷圍巖的穩(wěn)定及留巷質(zhì)量,而采空區(qū)側(cè)頂板的破斷及垮落形式對(duì)“短臂梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起著重要作用。合理的切頂高度和角度能使采空區(qū)側(cè)頂板順利破斷垮落后充滿采空區(qū),從而對(duì)“短臂梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起到良好的控制作用。

2.1 切頂高度分析

合理的切頂高度應(yīng)確保切落的頂板巖層垮落碎脹后填滿采空區(qū),對(duì)上覆巖層及“短臂梁”結(jié)構(gòu)起到良好的支撐作用;同時(shí),切頂高度范圍應(yīng)足以切斷關(guān)鍵巖層,達(dá)到切頂卸壓的目的。采空區(qū)側(cè)頂板垮落一般具有2 種形式:一種是直接頂?shù)钠扑榭迓?另一種是基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)變形破斷。當(dāng)切頂高度范圍只包含直接頂巖層時(shí),采空區(qū)側(cè)頂板巖層垮落形式為破碎垮落,采空區(qū)與上覆巖層存在離層。由于切頂范圍不包含基本頂巖層,當(dāng)工作面推過(guò)后,基本頂仍會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)破斷而對(duì)留巷穩(wěn)定性造成影響,切頂未達(dá)到卸壓的效果,如圖4(a)所示。當(dāng)切頂高度范圍包含基本頂巖層時(shí),采空區(qū)頂板垮落形式為直接頂先破碎垮落,隨后基本頂發(fā)生回轉(zhuǎn)破斷,如圖4(b)所示,當(dāng)工作面推過(guò)后,基本頂已被切斷,不會(huì)發(fā)生回轉(zhuǎn)破斷,有利于留巷穩(wěn)定。因此,在設(shè)計(jì)切頂高度時(shí),切頂范圍通常需包含基本頂。

圖4 不同切頂范圍采空側(cè)頂板垮落示意圖Fig.4 Schematic diagram of roof collapse on mined-out side with different cutting ranges

為使切落的頂板巖層碎脹充滿采空區(qū),切縫高度通常按式(1)計(jì)算:

式中,H煤為采高,m;ΔH1為頂板下沉量,m;ΔH2為底鼓量,m;kp為碎脹系數(shù)。

根據(jù)曙光礦1226 工作面頂板巖性實(shí)測(cè),直接頂kp取1.3,基本頂kp取1.4,在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下,取工作面采高H煤為2.85 m 時(shí),計(jì)算得H縫=7.1～9.5 m。

2.2 切頂角度分析

切頂角度不宜過(guò)大也不宜過(guò)小。當(dāng)切頂角度過(guò)小時(shí)(α＜10°),切落的頂板巖層與“短臂梁”結(jié)構(gòu)之間的摩擦阻力較大,不利于頂板巖層的垮落,同時(shí)預(yù)裂爆破可能會(huì)影響留巷上方頂板錨索支護(hù),從而影響留巷穩(wěn)定性;當(dāng)切頂角度過(guò)大時(shí),“短臂梁”結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和重量增大,從而增大了對(duì)留巷的荷載,不利于留巷的穩(wěn)定。因此,合理的切頂角度應(yīng)既能滿足切落的頂板巖層順利垮落,又能減小“短臂梁”結(jié)構(gòu)對(duì)留巷的荷載。

由切頂高度分析可知,切頂高度范圍內(nèi)包含基本頂巖層,切頂后直接頂破碎垮落,基本頂回轉(zhuǎn)破斷,因此研究能使基本頂順利破斷的切頂角度尤為重要?；卷攷r層的斷裂面與垂直面成一定的角度時(shí),巖塊咬合點(diǎn)的受力關(guān)系如圖5所示。

圖5 巖塊鉸接處受力示意圖Fig.5 Schematic diagram of forces on the rock block hinge

巖塊A 位于留巷上方,巖塊B 位于采空區(qū)上方,此時(shí)巖塊B 發(fā)生滑落失穩(wěn)的條件為[21]

式中,T為巖塊所受的水平推力,kN;R為巖塊所受剪切力,kN;φ為巖塊內(nèi)摩擦角,(°)。

式(2)化簡(jiǎn)可得

R、T值計(jì)算如下[22]:

式中,q為基本頂?shù)妮d荷集度,kN/m:L為基本頂巖塊長(zhǎng)度,m;h為基本頂巖層厚度,m;ΔS為巖塊B的下沉量,m。

根據(jù)曙光礦1226 工作面運(yùn)輸巷地質(zhì)條件,取φ=30°,L=25 m,h=6 m,經(jīng)計(jì)算ΔS=1.65 m,考慮巖石碎脹后被壓實(shí),取ΔS=1.8 m,將式(4)代入式(3)中得,α≥11.4°。

理論上來(lái)說(shuō),當(dāng)切頂角度大于11.4°時(shí),基本頂即可順利垮落,切頂后垮落過(guò)程為直接頂先破碎充填采空區(qū),隨后基本頂巖層回轉(zhuǎn)破斷形成碎石幫。綜上分析,在保證頂板能順利垮落的前提下,切頂角度取α=11.4°。

3 切頂參數(shù)對(duì)留巷圍巖穩(wěn)定性影響數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)曙光礦1226 工作面地質(zhì)條件,使用離散元軟件3DEC 建立數(shù)值計(jì)算模型。受計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的限制,模型y方向僅建2 m,模型尺寸為290 m×2 m×77 m,巷道開挖尺寸為5 m×2 m×3.5 m,工作面開挖尺寸為180 m×2 m×2.9 m,巖層簡(jiǎn)化為12 層,模型四周及底部邊界施加固定約束,頂部為自由邊界,施加11.8 MPa 的均布荷載代替上覆未建巖層,塊體選擇摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型,節(jié)理選擇庫(kù)倫滑移模型。數(shù)值模型如圖6所示,巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical model

表1 巖層力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanics parameter

3.2 數(shù)值模擬方案

本文采用控制變量法模擬切頂高度和角度對(duì)留巷圍巖穩(wěn)定性的影響。根據(jù)理論分析,選取4 m、7 m、10 m、13 m 研究切頂高度對(duì)留巷圍巖穩(wěn)定性影響(對(duì)應(yīng)方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ),選取0°、10°、15°、20°、30°研究切頂角度對(duì)留巷圍巖穩(wěn)定性影響(對(duì)應(yīng)方案Ⅴ、Ⅵ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅷ),模擬方案見表2,并對(duì)留巷頂板下沉量及實(shí)體煤幫應(yīng)力分布情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。

表2 數(shù)值模擬方案Table 2 Numeric simulation scheme

圖7 1226 工作面運(yùn)輸平巷測(cè)點(diǎn)布置Fig.7 Layout of measuring points of 1226 working face transport drift

3.3 模擬結(jié)果及分析

3.3.1 切頂高度對(duì)留巷圍巖穩(wěn)定性影響

(1) 切頂效果分析。為研究切頂高度對(duì)留巷穩(wěn)定性的影響,分別采用方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同切頂高度下圍巖垮落形態(tài)Fig.8 Collapse patterns of surrounding rock under different cutting roof heights

切頂高度為4 m 時(shí),切頂范圍只包含整個(gè)直接頂巖層,切頂后直接頂迅速垮落充填采空區(qū),基本頂處于三角懸頂狀態(tài),當(dāng)工作面推過(guò)后,三角懸頂可能發(fā)生失穩(wěn),對(duì)留巷穩(wěn)定性造成影響;切頂高度為7 m 時(shí),切頂范圍內(nèi)包含直接頂和部分基本頂巖層,切落的直接頂巖層垮落效果良好,而基本頂巖層未順利垮落,處于懸頂狀態(tài),與直接頂巖層分界面處形成較大的離層空間,懸頂一旦垮落,勢(shì)必對(duì)留巷穩(wěn)定性造成影響;切頂高度增至10 m 時(shí),切頂范圍內(nèi)包含直接頂和全部基本頂巖層,切頂后,直接頂和基本頂巖層垮落充填采空區(qū),形成密實(shí)的碎石幫,同時(shí)對(duì)“短臂梁”結(jié)構(gòu)起到傾斜支撐作用,留巷效果良好;切頂高度繼續(xù)增加至13 m 時(shí),切頂范圍已達(dá)到基本頂上覆巖層,基本頂與上覆巖層均為砂巖,巖性相似,切頂后兩者協(xié)同破斷垮落,由于未達(dá)到兩者破斷的垮落步距,因而上覆巖層與直接頂巖層分界面處形成離層,處于懸頂狀態(tài),不利于留巷的穩(wěn)定。

(2) 圍巖變形分析。通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,得到不同切頂高度下實(shí)體煤幫側(cè)應(yīng)力分布及頂板下沉量分布曲線,如圖9、圖10所示。巷道頂板最大下沉量及煤幫最大應(yīng)力集中峰值統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 不同切頂高度下頂板最大下沉量及實(shí)體煤幫最大集中應(yīng)力Table 3 Maximum roof subsidence and maximum concentrated stress of solid coal seam under different cutting height

圖9 不同切頂高度下實(shí)體煤幫集中應(yīng)力分布曲線Fig.9 Concentrated stress distribution curves of solid coal seam under different cutting top heights

圖10 不同切頂高度下頂板下沉量分布曲線Fig.10 Distribution curves of roof subsidence under different cutting roof heights

分析圖9、圖10可知,切頂后留巷實(shí)體煤幫會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,頂板也會(huì)出現(xiàn)不同程度的下沉,不同切頂高度下應(yīng)力集中大小、位置及頂板下沉量均不同。

切頂高度為4 m 時(shí),應(yīng)力集中位置距留巷實(shí)體煤幫1.5 m,峰值約為77 MPa,頂板最大下沉量出現(xiàn)在采空區(qū)側(cè),達(dá)到448 mm;切頂高度為7 m 時(shí),應(yīng)力集中位置距留巷實(shí)體煤幫1.5 m,峰值約為76 MPa,頂板最大下沉量達(dá)到437 mm;切頂高度為10 m 時(shí),應(yīng)力集中位置距留巷實(shí)體煤幫2.5 m,峰值約為70 MPa,頂板最大下沉量達(dá)到393 mm,較切頂高度4 m 和7 m 時(shí)應(yīng)力集中位置距巷道更遠(yuǎn),應(yīng)力集中峰值及頂板下沉量更小,說(shuō)明切頂高度10 m 比4 m 和7 m 卸壓更充分,更有利于巷道的穩(wěn)定;切頂高度為13 m 時(shí),應(yīng)力集中位置距留巷實(shí)體煤幫為2.5 m,峰值約為71 MPa,頂板最大下沉量約為397 mm,相比于切頂高度10 m 時(shí)變化不大,說(shuō)明切頂高度達(dá)到10 m 后繼續(xù)增加切頂高度對(duì)留巷穩(wěn)定性影響不再明顯。

綜上所述,由切頂效果分析可知,切頂高度為4 m、7 m、13 m 時(shí)頂板均出現(xiàn)不同程度的懸頂,形成的碎石幫充填效果差,切頂高度為10 m 時(shí),頂板垮落充分,采空區(qū)充填密實(shí);由圍巖變形分析可知,切頂高度為4 m、7 m 時(shí),由于未完全切斷基本頂巖層,導(dǎo)致卸壓效果較差,應(yīng)力集中位置距實(shí)體煤幫側(cè)較近,峰值較高,不利于留巷的穩(wěn)定,切頂高度為10 m、13 m 時(shí),相較于切頂高度4 m、7 m,切頂卸壓效果更明顯,應(yīng)力集中峰值及頂板下沉量有所降低,應(yīng)力集中位置距實(shí)體煤幫較遠(yuǎn)。因此,當(dāng)切頂高度為10 m 時(shí),留巷的穩(wěn)定性最高,最終選擇合理的切頂高度為10 m。

3.3.2 切頂角度對(duì)留巷圍巖穩(wěn)定性影響

(1) 切頂效果分析。為研究切頂角度對(duì)留巷穩(wěn)定性的影響,分別采用方案Ⅴ、Ⅵ、Ⅲ、Ⅶ、Ⅷ進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同切頂角度下圍巖垮落形態(tài)Fig.11 Collapse patterns of surrounding rock under different roof cutting angles

切頂角度為0°時(shí),切落的頂板巖層與“短臂梁”之間摩擦力較大,導(dǎo)致頂板不能順利垮落,形成的巷道碎石幫間隙較大,出現(xiàn)空幫問(wèn)題,嚴(yán)重影響留巷穩(wěn)定性及留巷質(zhì)量;切頂角度為10°時(shí),直接頂可以順利垮落,而基本頂巖塊B 與巖塊A 成鉸接結(jié)構(gòu)不易垮落,不利于留巷的穩(wěn)定;切頂角度為15°時(shí),巖塊B 垮落順利,形成的碎石幫密實(shí),垮落后的矸石對(duì)上覆巖層既有垂直支撐作用,也對(duì)“短臂梁”結(jié)構(gòu)有傾斜支撐作用,切頂留巷效果良好;切頂角度為20°時(shí),與切頂角度15°頂板垮落狀態(tài)相似,成巷效果良好;切頂角度為30°時(shí),頂板垮落順利,但垮落的矸石和“短臂梁”結(jié)構(gòu)之間的間隙較大,可以對(duì)上覆巖層起到垂直支撐作用,但對(duì)“短臂梁”結(jié)構(gòu)不能起到傾斜支撐作用,不利于留巷的穩(wěn)定。

(2) 圍巖變形分析。通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,得到不同切頂角度下實(shí)體煤幫側(cè)應(yīng)力分布及頂板下沉量分布曲線如圖12、圖13所示。巷道頂板最大下沉量及實(shí)體煤幫最大應(yīng)力集中峰值見表4。

表4 不同切頂角度下頂板最大下沉量及實(shí)體煤幫最大集中應(yīng)力Table 4 Maximum roof subsidence and maximum concentrated stress of solid coal seam under different cutting angles

圖12 不同切頂角度下實(shí)體煤幫集中應(yīng)力分布曲線Fig.12 Concentrated stress distribution curve of solid coal seam under different cutting angles

圖13 不同切頂角度下頂板下沉量分布曲線Fig.13 Distribution curves of roof subsidence at different cutting angles

分析圖12、圖13可知,切頂角度為0°時(shí),即切縫線垂直于頂板巖層,應(yīng)力集中位置距留巷實(shí)體煤幫2.5 m,峰值約為69 MPa,頂板最大下沉量362 mm;切頂角度為10°時(shí),應(yīng)力集中位置距留巷實(shí)體煤幫2.5 m,峰值約為71 MPa,頂板最大下沉量達(dá)到374 mm;當(dāng)切頂高度為15°時(shí),應(yīng)力集中位置距留巷實(shí)體煤幫2.5 m,峰值約為70 MPa,頂板最大下沉量達(dá)到393 mm;切頂角度為20°時(shí),應(yīng)力集中位置距留巷實(shí)體煤幫2.5 m,峰值約為72 MPa,頂板最大下沉量達(dá)到400 mm;當(dāng)切頂角度為30°時(shí),應(yīng)力集中位置距留巷實(shí)體煤幫側(cè)1.5 m,峰值約為75 MPa,頂板最大下沉量略有增加,約為432 mm,說(shuō)明隨著切頂角度的增大,“短臂梁”結(jié)構(gòu)重量也隨之增大,同時(shí)碎脹矸石對(duì)“短臂梁”結(jié)構(gòu)的斜撐效果減小,不利于留巷的穩(wěn)定。

綜上所述,由切頂效果分析可知,切頂角度為0°、10°時(shí)頂板不能順利垮落,采空區(qū)充填效果差,切頂角度為30°時(shí),碎脹矸石對(duì)“短臂梁”斜撐效果差,切頂角度為15°、20°時(shí),頂板垮落順利,成巷效果最好;由圍巖變形分析可知,切頂角度為0°、10°時(shí)的留巷穩(wěn)定性略優(yōu)于15°、20°和30°,考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工,0°、10°不利于頂板的垮落,空幫加大了護(hù)巷的難度,降低了成巷的質(zhì)量,因此切頂角度最終確定為15°。

4 工程應(yīng)用

4.1 爆破試驗(yàn)

曙光礦1226 工作面在現(xiàn)場(chǎng)施工切頂卸壓沿空留巷技術(shù)時(shí),采用切頂高度10 m,切頂角度15°。為保證切頂預(yù)裂爆破效果,現(xiàn)場(chǎng)采用5 種爆破方案,使用煤礦二級(jí)乳化炸藥進(jìn)行聚能爆破試驗(yàn),以確定合理的爆破參數(shù)。聚能爆破管安裝在切縫鉆孔內(nèi),聚能管數(shù)量、裝藥量、封孔長(zhǎng)度等具體方案見表5。

表5 爆破試驗(yàn)方案Table 5 Blasting test scheme

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最終確定方案3 為最佳爆破方案。炮孔間距為500 mm,采用6 孔連續(xù)爆破間隔1 孔(窺視孔)的爆破方式,使用5 根長(zhǎng)1.5 m 聚能管和1 根長(zhǎng)0.5 m 聚能管,藥包外徑?32 mm、長(zhǎng)200 mm,裝藥量為3+2+1+2+2+1,共11 個(gè)藥卷,封泥長(zhǎng)度2 m,同時(shí)起爆。裝藥結(jié)構(gòu)如圖14所示,最佳爆破方式如圖15所示。爆破后,通過(guò)鉆孔窺視儀對(duì)鉆孔進(jìn)行窺視,孔內(nèi)爆破效果如圖16所示?？梢钥闯?采用方案3 爆破后,巷道頂板裂紋沿設(shè)定方向形成2 條幾乎平行的裂縫線,頂板沿裂縫線垮落充填采空區(qū)形成碎石幫。對(duì)爆破效果進(jìn)行分析,裂縫率達(dá)81%～90%,爆破效果良好。

圖14 爆破裝藥結(jié)構(gòu)Fig.14 Blasting charge structure

圖15 最佳爆破方式示意圖Fig.15 Schematic diagram of the best blasting mode

圖16 不同深度孔內(nèi)窺視效果Fig.16 Peep effect in different depth holes

實(shí)際施工過(guò)程中,由于地質(zhì)條件的不均一性,需通過(guò)窺視孔檢查每次的切縫效果,根據(jù)結(jié)果不斷調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu),以適應(yīng)施工條件的變化。

4.2 留巷效果

采用所確定的切頂參數(shù),在1226 工作面運(yùn)輸巷超前進(jìn)行預(yù)裂切頂爆破,隨著工作面的推進(jìn),切落的頂板巖層迅速垮落充滿采空區(qū),在擋矸支護(hù)的作用下形成密實(shí)的巷幫,留巷效果良好,如圖17所示。

圖17 留巷效果Fig.17 Effect of entry retaining

為進(jìn)一步檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)留巷質(zhì)量,在1226 工作面運(yùn)輸巷每隔50 m 布置巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),任意選取3 個(gè)測(cè)點(diǎn),得到工作面巷道圍巖變形規(guī)律如圖18所示?？梢钥闯?巷道圍巖在滯后工作面一定距離出現(xiàn)變形,最大變形量位于250～350 mm,最終穩(wěn)定在滯后工作面約200 m 后,圍巖變形量較小,可作為下一接替工作面的回風(fēng)巷繼續(xù)使用。

圖18 留巷圍巖變形規(guī)律Fig.18 Deformation Law of Surrounding Rock of Retaining Roadway

5 結(jié) 論

(1) 基于巖石的碎脹性質(zhì)和關(guān)鍵塊失穩(wěn)條件,得到了切頂高度和切頂角度計(jì)算公式。

(2) 通過(guò)數(shù)值模擬,從切頂效果和圍巖變形兩種角度綜合分析了不同切頂高度和角度對(duì)留巷圍巖穩(wěn)定性的影響,確定了合理的切頂高度和切頂角度分別為10 m、15°。

(3) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn),確定了最佳爆破方案為6 孔連爆間隔1 孔,最佳炮孔間距為500 mm,最佳裝藥量為3+2+1+2+2+1。

(4) 將切頂參數(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng),并對(duì)留巷圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè),留巷效果良好。