郭星江
(山煤國(guó)際能源集團(tuán)股份有限公司 煤業(yè)分公司,山西 太原 030000)
在煤礦開采中,堅(jiān)硬難垮頂板巖石強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、厚度大,煤層開采后大面積懸露在采空區(qū),一旦垮落,會(huì)造成嚴(yán)重的工作面來壓現(xiàn)象,嚴(yán)重影響工作面的生產(chǎn)安全[1-3]。因此,針對(duì)工作面堅(jiān)硬頂板進(jìn)行切頂卸壓,減小工作面來壓強(qiáng)度,對(duì)保證工作面安全生產(chǎn)具有重要的意義。
許多研究學(xué)者已對(duì)堅(jiān)硬頂板礦壓控制進(jìn)行了研究,其中采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)弱化頂板是一種效果明顯的方法,大量的工程實(shí)踐表明,堅(jiān)硬頂板的深孔預(yù)裂爆破效果與爆破孔的布置方案與參數(shù)(如爆破孔深度、爆破孔直徑、爆破孔位置等)密切相關(guān)。但是,目前有關(guān)爆破孔布置方案與參數(shù)對(duì)堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化效果影響的相關(guān)研究尚不夠深入。
韓家洼煤礦22煤層工作面采用綜放開采且頂板巖層為堅(jiān)硬難垮巖層,若不對(duì)頂板巖層進(jìn)行處理,則會(huì)嚴(yán)重影響礦井安全高效開采。因此,提出采用深孔預(yù)裂及數(shù)對(duì)頂板進(jìn)行處理,針對(duì)深孔預(yù)裂爆破參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步研究。
韓家洼煤礦22205工作面位于二采區(qū),東部22203工作面采空區(qū),西部為原韓家洼采空區(qū),南部為二采區(qū)三條主要巷道,北部為礦界。工作面傾向長(zhǎng)150 m,工作面走向長(zhǎng)878.4 m.工作面所采煤層為22號(hào)煤,賦存穩(wěn)定,煤層厚度為10.3~12.7 m,平均厚11.5 m,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層傾角為2~8°.頂?shù)装鍘r層分布為:老頂為厚度為4.2~26.9 m的白色粗砂巖,直接頂為灰白色細(xì)砂巖,平均厚度為3 m,偽頂為灰黑色泥巖,平均厚度為1.1 m,直接底為灰白色砂質(zhì)泥巖,平均厚度為1 m,老底為灰黑色細(xì)砂巖,平均厚度為8.7 m,頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖1所示。
圖1 頂?shù)装迕簩又鶢顖D
根據(jù)相鄰工作面開采垮落經(jīng)驗(yàn),可以預(yù)測(cè)22205工作面煤炭資源采出后,頂板初次垮落步距大于70 m,極易形成采空區(qū)大面積懸頂,頂板初次來壓時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的沖擊波,對(duì)工作面及相關(guān)支護(hù)設(shè)備造成嚴(yán)重破壞,因此為保證22205工作面的安全高效開采,采用深孔預(yù)裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行卸壓處理,減小頂板劇烈來壓。
為科學(xué)確定深孔預(yù)裂爆破方案與參數(shù),采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬22205工作面深孔預(yù)裂各項(xiàng)參數(shù)對(duì)工作面垮落規(guī)律的影響,建立模型尺寸為300 m×150 m×60 m,模型上部補(bǔ)償載荷為5 MPa.
韓家洼煤礦22205工作面深孔預(yù)裂爆破孔布置于工作面兩側(cè)巷道中及工作面切眼中部,如圖2所示。為研究爆破孔距及爆破孔深度對(duì)堅(jiān)硬頂板預(yù)裂弱化效果,建立了如表1所示5種數(shù)值模擬方案,研究不同參數(shù)下對(duì)頂板巖層垮落規(guī)律的影響。
圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型
表1 數(shù)值模擬方案
不同爆破孔距影響下,隨工作面推進(jìn)距離的變化頂板爆破孔圍巖主應(yīng)力差變化規(guī)律如圖3所示,可以得到如下結(jié)論:工作面推進(jìn)距離相同時(shí),實(shí)施深孔爆破后的主應(yīng)力差明顯大于未實(shí)施爆破的主應(yīng)力差,這是由于爆破預(yù)裂后,受沖擊影響爆破孔周圍產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致爆破預(yù)裂后的頂板更容易發(fā)生斷裂。還可以發(fā)現(xiàn)爆破孔主應(yīng)力差隨著爆破孔距的增加而逐漸減小,是因?yàn)楸祁A(yù)裂效果隨著爆破孔距的增大而不斷減弱。
圖3 不同爆破孔距影響下頂板主應(yīng)力差變化規(guī)律
不同爆破孔深度影響下,隨工作面推進(jìn)距離的變化頂板破壞最大高度變化規(guī)律如圖4所示,可以得到如下結(jié)論:同一爆破孔深度時(shí),頂板破壞最大高度隨著工作面推進(jìn)距離增大而增大,且爆破孔深度越大,頂板破壞最大深度破壞越快且破壞高度越高,是因?yàn)殡S著爆破孔深度的增大,爆破對(duì)頂板弱化效果增大,減小了頂板來壓步距。
圖4 不同爆破孔深度影響下頂板破壞高度變化規(guī)律
根據(jù)以上數(shù)值模擬結(jié)果可以得到,在工作面切眼處及巷道進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)可以有效地弱化頂板,減小來壓步距。以上5個(gè)預(yù)裂爆破方案下頂板來壓步距如表2所示,綜合分析可以得到,方案1和方案2頂板初次來壓步距較小,40~50 m是最優(yōu)方案。
表2 不同預(yù)裂爆破方案下頂板初次來壓步距范圍
根據(jù)堅(jiān)硬頂板預(yù)裂爆破參數(shù)的FLAC3D數(shù)值模擬優(yōu)化結(jié)果,確定了22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破參數(shù),如圖5和表3所示。回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷布置爆破孔各5個(gè),編號(hào)1~5和編號(hào)10~14,參數(shù)相同,呈扇形布置,工作面切眼中部布置1組共4個(gè)爆破孔,6~7號(hào)與8~9號(hào)爆破孔呈對(duì)稱布置,參數(shù)相同,爆破參數(shù)如表3所示。
圖5 爆破孔布置平面圖
表3 深孔預(yù)裂爆破參數(shù)
根據(jù)上述22205綜放工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)方案以及施工安全技術(shù)措施與要求:根據(jù)韓家洼煤礦22205工作面堅(jiān)硬頂板深孔預(yù)裂爆破技術(shù)方案,當(dāng)22205綜放工作面于運(yùn)輸巷累計(jì)推進(jìn)4 m,回風(fēng)巷累計(jì)推進(jìn)7 m時(shí),對(duì)22205綜放工作面兩巷道進(jìn)行預(yù)裂爆破,在裝藥之前首先采用PVC管對(duì)預(yù)裂孔進(jìn)行試孔,采用內(nèi)徑為45 mm的PVC管作為炸藥載體,將炸藥及導(dǎo)爆索裝入管內(nèi),達(dá)到長(zhǎng)度要求后,將PVC管推入爆破孔底,炮眼采用連續(xù)耦合方式裝藥,采用雙雷管雙導(dǎo)爆索。PVC推到孔底后,用炮棍把準(zhǔn)備好的炮泥裝入炮孔,炮泥充填密實(shí),進(jìn)行爆破。
通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),當(dāng)22205工作面回風(fēng)巷推進(jìn)13.5 m,運(yùn)輸巷推進(jìn)9.7 m時(shí),工作面頂煤已經(jīng)垮落,機(jī)尾95號(hào)架附近已經(jīng)垮落到頂板白砂巖,從22號(hào)支架到82號(hào)支架后溜多處可見白砂巖,綜合判斷,頂煤已經(jīng)全部垮落。當(dāng)運(yùn)輸巷推進(jìn)46 m,回風(fēng)巷推進(jìn)64 m,平均推進(jìn)55 m左右時(shí),工作面發(fā)生大面積來壓現(xiàn)象,其中50號(hào)~101號(hào)支架壓力較大,綜合判斷,工作面初次來壓步距為55 m,22205綜放工作面老頂初次來壓與22203綜放工作面相比,早來了15 m左右,這與22205綜放工作面采用的深孔預(yù)裂爆破方案有直接關(guān)系。
1) 采用數(shù)值模擬得到預(yù)裂爆破后堅(jiān)硬頂板相比未爆破的頂板更容易發(fā)生破斷,頂板弱化效果隨著爆破孔距增大而減小,頂板弱化效果隨著爆破孔深度增大而增大,爆破孔深度越大,頂板破壞速率越快,破壞高度越高。
2) 結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,確定了深孔預(yù)裂爆破技術(shù)方案各項(xiàng)參數(shù),通過井下試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),實(shí)施預(yù)裂爆破技術(shù)后,工作面來壓步距減小為55 m,堅(jiān)硬頂板強(qiáng)礦壓現(xiàn)象得到了有效的控制,為韓家洼煤礦后續(xù)相似條件下綜放工作面的安全高效開采提供了理論與技術(shù)支撐。