王坡煤礦3314工作面切頂卸壓技術(shù)研究與應(yīng)用

劉偉偉

(山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 澤州 048021)

山西天地王坡煤業(yè)有限公司(以下簡稱“王坡煤礦”)位于山西省晉城市澤州縣下村鎮(zhèn)，主采3號煤層，平均煤層厚度5.5 m.王坡煤礦目前正在回采三采區(qū)3314工作面，該工作面為半孤島工作面，西側(cè)為3316工作面采空區(qū)，東側(cè)為規(guī)劃的3312 工作面，北部為3條集中大巷，3312運(yùn)輸巷和3314回風(fēng)巷位于3314工作面同側(cè)，巷間煤柱為40 m(中-中)。對于多巷布置的工作面，3312運(yùn)輸巷需要經(jīng)受3314工作面采動影響后留巷為3312工作面回采服務(wù)。結(jié)合以往的工程經(jīng)驗及現(xiàn)場勘查，經(jīng)受強(qiáng)烈動壓影響的3312運(yùn)輸巷煤層巷道容易出現(xiàn)兩幫強(qiáng)烈擠壓、頂板破碎和底鼓的全斷面變形，留巷巷道頂板下沉嚴(yán)重，兩幫移近及底鼓現(xiàn)象明顯、錨桿錨索經(jīng)常發(fā)生破斷等情況。為避免3312運(yùn)輸巷出現(xiàn)過度的變形破壞，開展深孔預(yù)裂爆破主動卸壓技術(shù)研究。

1 深孔預(yù)裂爆破切頂方案設(shè)計

對于王坡煤礦3312運(yùn)輸巷復(fù)用巷道問題，分析巷道變形破壞的主要原因為：①開采煤層埋深較大，地應(yīng)力高，煤層強(qiáng)度低；②3314工作面回采時動壓大，回采后的側(cè)向支撐壓力使巷道圍巖產(chǎn)生破碎且處于流變狀態(tài)下，持續(xù)不斷發(fā)生變形及破壞。根據(jù)以上分析，擬對動壓巷道3314回風(fēng)巷采用切頂卸壓技術(shù)-深孔預(yù)裂爆破方案。

1.1 鉆孔傾角α、 β及布置位置

鉆孔傾角α是指沿巷道斷面方向鉆孔與豎直方向的夾角，傾角β是指鉆孔與巷道軸線水平方向的夾角。爆破鉆孔傾角α要考慮爆破后，預(yù)裂線上方基本頂懸露長度等影響因素，理論上傾角α略偏向采空區(qū)效果最佳，不僅能夠最大程度地縮短煤柱上方頂板懸臂梁長度，而且能夠減少對煤柱上方頂板完整性的破壞，傾角α一般取值 10～30°，本次傾角α設(shè)計為 15°.傾角β過小需要增加爆破孔深度及炸藥量，過大則給快速裝藥操作造成很大的困難。綜合以上情況及以往施工經(jīng)驗，設(shè)計β=75°.現(xiàn)場鉆機(jī)施工時，鉆機(jī)人員操作臺靠近巷幫一側(cè)，禁止靠近膠帶側(cè)，考慮到施工安全和鉆機(jī)結(jié)構(gòu)限制，鉆孔傾角β朝向工作面方向。鉆孔位置S指鉆孔開孔處與巷道煤柱側(cè)巷幫的距離。理論上鉆孔位置S越小越好[1]，但由于頂板鉆機(jī)需要作業(yè)空間和方便頂板鉆機(jī)施工等客觀因素，鉆孔位置通常需要取一定數(shù)值。因考慮到鉆孔打設(shè)要向工作面方向偏斜 15°，為避免鉆孔施工期間受錨桿、錨索以及3314回風(fēng)巷端頭打設(shè)木垛影響，確定爆破鉆孔與煤柱幫距離1.5 m.綜上所述，確定3314回風(fēng)巷頂板爆破鉆孔布置情況如圖1所示。

圖1 爆破鉆孔布置示意

1.2 切頂高度H0

端頭頂板懸頂主要是巷道上方頂板殘留邊界，而巷道頂板殘留邊界主要位于煤層上方基本頂范圍內(nèi)，因此解決端頭懸頂問題，只需解決直接頂和基本頂垮落問題。切頂過程中，為能使頂板順利跨落，切縫需要穿過直接頂和基本頂?shù)妮^完整巖層，預(yù)裂切縫的高度H0直接影響到切頂效果和頂板的回轉(zhuǎn)跨落。在工作面推進(jìn)過程中，為了保證頂板垮落的矸石能夠充分填滿采空區(qū)，爆破切頂高度H0可根據(jù)公式(1)計算[2]。

(1)

式中：M為煤層厚度，取5.5 m；Kp為頂板巖石碎脹系數(shù)，通常取1.25～1.35.

計算得到H0=15.7～22 m.結(jié)合頂板巖性、頂板窺視結(jié)果和巖體的強(qiáng)度測試分析，確定爆破切頂高度H0需要覆蓋到3314工作面上方20.3 m 的第4層泥質(zhì)粉砂巖巖層(自下而上分別為：2.96 m的泥巖，5.79 m的細(xì)砂巖，5.21 m的粉砂巖和6.43 m的泥質(zhì)粉砂巖)。因此，爆破切頂高度H0確定為20.39 m.鉆孔深度可根據(jù)切頂高度和鉆孔的方位角進(jìn)行計算。孔深L=H0/(cosα·sinβ)=20.39/(cos15°·sin75°)=21.9 m.考慮深孔爆破對頂板錨索支護(hù)的影響，根據(jù)施工工程經(jīng)驗，留出安全間隙，建議孔深L取值 22 m.爆破鉆孔布置層位如圖2所示。

圖2 爆破鉆孔層位示意

1.3 封孔及裝藥工藝

本次方案所選炸藥直徑35 mm，聚能管最寬處42 mm，結(jié)合工作面頂板巖性、不耦合系數(shù)以及以往頂板深孔爆破預(yù)裂經(jīng)驗以及施工進(jìn)度等要求，設(shè)計鉆孔D=58 mm.考慮到現(xiàn)場采用聚能管輔助裝藥，單根聚能管1.5 m(含0.1 m為擴(kuò)孔段，管接頭)，為便于施工操作，設(shè)計裝藥長度12 m(8根聚能管)?？紤]到單卷炸藥0.2 kg，設(shè)計單孔裝藥量8.4 kg，共計42卷(裝藥段總長11.8 m，采用正向連續(xù)裝藥的方式，炸藥尾端0.2 m用于連接雷管炮線等空間，尾端1.0 m為水泡泥緩沖區(qū))。裝藥時將導(dǎo)爆索插入孔底炸藥中，并用膠帶纏繞固定，如圖3所示。將炸藥放入聚能管內(nèi)，導(dǎo)爆索另一端與雷管相連，雷管和導(dǎo)爆索用絕緣膠帶纏在一起。導(dǎo)爆索選用煤礦許用導(dǎo)爆索，規(guī)格為5.2～5.5 mm.隔離段采用1 m黃土泡泥，封孔長度1 m.封孔剩余段9 m的鉆孔采用黃土炮泥+AET-F 水泥注漿組合封孔。

圖3 裝藥結(jié)構(gòu)示意

2 爆破切頂效果數(shù)值模擬研究

由于3314回風(fēng)巷側(cè)有部分頂板懸空，懸空區(qū)巖體給3312運(yùn)輸巷過高的壓力，3312運(yùn)輸巷變形破壞風(fēng)險加大。采用爆破方法在3314回風(fēng)巷一側(cè)的頂板預(yù)先產(chǎn)生松動面，改善放頂效果，釋放部分加在3312運(yùn)輸巷的壓力。采用有限元計算方法[3-4]，在確定了采區(qū)懸空步距和3314回風(fēng)巷側(cè)頂板懸空寬度的基礎(chǔ)上，對比預(yù)裂頂板前后垂直應(yīng)力指標(biāo)，借以估計預(yù)裂爆破放頂?shù)挠行?。把直接頂以上的三層巖層作為老頂。懸空區(qū)正上方的老頂有破損區(qū)貫通時，認(rèn)為老頂垮落，根據(jù)工作面老頂來壓情況，確定20 m為臨界懸空步距。結(jié)合3314工作面采掘條件，建立圖4所示的模擬分析模型。

圖4 數(shù)值模擬模型及方案示意

預(yù)裂前分析，指在沒有進(jìn)行預(yù)裂爆破的情況下，在臨界步距的懸空狀態(tài)下，各截面及方向上垂直應(yīng)力的分布規(guī)律分析。用以與有預(yù)裂爆破情況的對比。預(yù)裂前懸空寬度取20 m；預(yù)裂鉆孔中心距巷道右側(cè)壁1.5 m，預(yù)裂面與豎直面夾角取 15°，老頂全部貫穿。預(yù)裂前后3314工作面后方10 m處煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力變化規(guī)律如圖5所示，可以看出，預(yù)裂面形成后，煤柱所在側(cè)的壓力減小，因此，預(yù)裂后整個煤柱的垂直應(yīng)力都減小，煤柱內(nèi)最小壓力從16.63 MPa減小到15.46 MPa，減小了1.17 MPa，減幅為7.0%；同理觀測3312運(yùn)輸巷煤柱側(cè)幫部垂直應(yīng)力表明，3312運(yùn)輸巷側(cè)幫最大壓應(yīng)力從24.2 MPa減小到23.2 MPa，減小1.0 MPa，減幅約4.1%，預(yù)裂處理后側(cè)幫垂直壓力減小。預(yù)裂面的作用：預(yù)裂面切斷了兩側(cè)老頂?shù)牧Φ穆?lián)系，破壞了回風(fēng)巷側(cè)形成懸空的條件，使3314工作面承擔(dān)更多的上覆壓力，減小了3312運(yùn)輸巷的壓力。

圖5 預(yù)裂前后煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布規(guī)律

3 巷道圍巖變形監(jiān)測

為準(zhǔn)確掌握預(yù)裂爆破切頂后對3312運(yùn)輸巷礦壓顯現(xiàn)的影響，在3312運(yùn)輸巷布置測站監(jiān)測巷道頂板及兩幫的變形，測站間距25 m，位置詳情如圖6(a)所示，以1號測站為例，得到巷道頂?shù)装濉蓭拖鄬σ平孔兓?guī)律如圖6(b)所示。

圖6 測站詳情及監(jiān)測結(jié)果

超前鄰近工作面約60 m時，巷道表面變形量開始逐漸增大，說明巷道受到鄰近工作面超前支承壓力影響明顯，滯后鄰近工作面0～40 m期間，巷道表面變形量增速漸緩，滯后鄰近工作面距離大于40 m后，巷道表面變形量基本不再增大，1號測站處頂?shù)装逑鄬σ平孔畲笾禐?54 mm，兩幫相對移近量最大值為248 mm，巷道表面變形量在允許范圍內(nèi)，表明實施預(yù)裂爆破切頂技術(shù)后，3312運(yùn)輸巷受鄰近工作面采動影響程度減弱，卸壓及留巷效果良好。

4 結(jié) 語

以王坡煤礦3314工作面為例，展開深孔預(yù)裂爆破主動卸壓技術(shù)研究，得出以下結(jié)論及建議：

1) 根據(jù)3314工作面采掘地質(zhì)條件，設(shè)計3314回風(fēng)巷頂板預(yù)裂爆破方案，確定爆破鉆孔傾角α=15°、β=75°，爆破切頂高度H0=20.39 m.

2) 采用FLAC3D數(shù)值模擬研究分析表明，預(yù)裂后煤柱內(nèi)最小壓力減小了1.17 MPa，3312運(yùn)輸巷側(cè)幫最大壓應(yīng)力減小1 MPa，預(yù)裂面切斷了兩側(cè)老頂?shù)牧Φ穆?lián)系，破壞了回風(fēng)巷側(cè)形成懸空的條件，使3314工作面及采空區(qū)承擔(dān)更多的上覆壓力，減小了3312運(yùn)輸巷圍巖的壓力。

3) 切頂卸壓預(yù)裂爆破技術(shù)在3314工作面實踐應(yīng)用期間，預(yù)裂后，巷道表面變形量在允許范圍內(nèi)，受到鄰近工作面采動影響程度減弱，卸壓及留巷效果良好。