栗鵬飛
(山西凌志達煤業(yè)有限公司,山西 長治 046606)
我國井工煤礦開采過程中,為了避免相鄰工作面回采過程中造成相互擾動,在工作面間往往留設較大的護巷煤柱,這樣造成了嚴重的煤柱資源損失[1-3]。同時,針對堅硬頂板而言,受采動應力影響,會使煤柱處于高應力擾動區(qū),導致巷道變形嚴重,對工作面巷圍巖控制造成了極大難度,也給工作面安全高效回采帶來了風險隱患[4-6]。部分研究表明,對厚硬頂板條件,在合理留設小煤柱前提下,實施切頂卸壓方法,能夠控制圍巖變形,進而保證工作面的回采安全[7-8]。在這方面研究中,金凱強提出了堅硬頂板“深孔+淺孔”組合方式的定向爆破切頂卸壓方法與沿空巷道綜合一體化支護技術(shù),頂板下沉量降低53%,底鼓量降低41%,兩幫移近量降低57%,實現(xiàn)了沿空巷道變形的有效控制[9];陳寧提出將切頂卸壓留巷技術(shù)應用到8103 運輸巷留巷中,通過布置恒阻錨索并結(jié)合W 鋼帶對頂板進行補強支護,達到降低頂板下沉量目的,頂板及巷幫變形控制在100 mm、38 mm 以內(nèi),取得較好留巷效果[10];張權(quán)為了解決工作面初采期間堅硬頂板垮落困難的難題,提出8208工作面初采深孔預裂爆破方案,通過優(yōu)化爆破參數(shù),有效縮短8208 工作面初次來壓步距和來壓強度,確保8208 工作面初采安全[11]。王輝等指出切頂可以有效減小留巷頂板懸臂長度,實現(xiàn)卸壓保護巷道的目的,切頂高度和切頂角度都存在一個合理的取值范圍,并非越大越好[12]。本文以凌志達煤礦15218 工作面為工程背景,在對合理煤柱尺寸進行理論研究基礎上,確定了合理的切頂卸壓參數(shù)及其方法,以保證沿空巷道的穩(wěn)定,實現(xiàn)工作面安全高效開采。
15218 工作面主采15#煤層,煤層平均厚4.22 m,傾角4°~10°。煤層頂板為6.78 m 厚的K2 灰?guī)r,f=14~16,屬于典型的厚硬頂板條件;底板主要為泥巖和細粒砂巖。工作面采用綜采技術(shù)。15218 工作面北側(cè)為15220 工作面,南側(cè)為15216 工作面采空區(qū),巷道斷面尺寸為寬×高=5.4 m×4.0 m。工作面布置情況見圖1。以往的工作面中間留設20 m煤柱,資源浪費嚴重。為此,研究堅硬頂板條件下15218工作面小煤柱切頂卸壓方法與圍巖控制技術(shù),對實現(xiàn)工作面安全高效回采至關(guān)重要。
圖1 工作面位置關(guān)系圖
合理煤柱寬度的確定需要綜合其煤柱本身的承載能力,過大的煤柱尺寸導致大量煤炭損失,過小的煤柱尺寸不能滿足有效支撐要求,需要合理確定煤柱留設尺寸。小煤柱寬度B理論計算式如下[13]:
式中:X1為采空區(qū)側(cè)煤體塑性區(qū)寬度,m;X2為煤柱幫錨索有效長度,5.0 m;X3為煤柱有效承載厚度,m。
其中X1確定方法如下:
式中:M為采高,4.22 m;A為側(cè)壓系數(shù),0.35;C為內(nèi)聚力,4.5 MPa;φ為內(nèi)摩擦角,30°;K為應力集中系數(shù),2.5;H為煤層埋深,550 m;Pz為支架阻力,0.55 MPa;γ為容重,21 kN/m3。
將數(shù)據(jù)帶入公式(2)得,X1=1.84 m,煤柱有效承載厚度X3=(0.15~0.3)(X1+X2),將數(shù)據(jù)帶入公式(1)得,B=7.9~8.9 m。
根據(jù)理論分析,小煤柱的合理寬度應在7.9~8.9 m 范圍內(nèi)。因此,根據(jù)理論計算結(jié)果,初步確定15218 回采工作面小煤柱留設寬度為9 m。
切頂高度與切頂角度是影響切頂卸壓效果的主要參數(shù),為得到合理切頂參數(shù),采用FLAC3D數(shù)值軟件對厚硬頂板切頂參數(shù)的合理值進行分析。數(shù)值模型尺寸為長×寬×高=250 m×250 m×150 m,模型底部及四周進行位移約束,上部施加載荷等效上覆巖層自重,巖體力學參數(shù)見表1。
表1 巖體力學參數(shù)
1)切頂高度模擬結(jié)果
在留設9 m 厚小煤柱條件下,對切頂高度分別為8 m、9 m 與10 m 時進行分析。不同切頂高度下的巷道應力及位移變化情況如圖2。隨著切頂高度的增加,巷道煤柱幫應力及頂板位移呈現(xiàn)降低趨勢。當切頂高度為8 m 時,巷道煤柱內(nèi)存在明顯的應力集中區(qū),應力峰值為41.2 MPa,巷道頂板垂直位移為288 mm,頂板下沉量較大,說明這一切頂高度不利于巷道的穩(wěn)定;當切頂高度為9 m 時,煤柱內(nèi)應力峰值為39.8 MPa,垂直應力降低明顯,此時巷道頂板垂直位移為232 mm,頂板下沉得到有效控制,在一定程度上保證了巷道的穩(wěn)定。值得注意的是,當切頂高度由8 m 增加至9 m 時,巷道應力及位移整體下降趨勢顯著;當切頂高度由9 m 增加至10 m時,巷道應力及位移下降趨勢較緩慢,整體變化較小。說明當切頂高度為9 m 時,變形已趨于穩(wěn)定,此時頂板垂直位移為232 mm。綜合鉆孔施工成本考慮,確定合理切頂高度為9 m。
圖2 不同切頂高度模擬結(jié)果
2)切頂角度模擬結(jié)果
在9 m 切頂高度下,選取切頂角度分別為10°、15°與20°進行分析。不同切頂角度下的巷道應力及位移變化情況如圖3。隨著切頂角度的增加,巷道煤柱幫應力及頂板位移呈現(xiàn)先降低后增加趨勢,表明較大的切頂角度并不能產(chǎn)生較好的切頂效果。當切頂角度為10°時,巷道煤柱內(nèi)垂直應力峰值為41.3 MPa,巷道頂板最大垂直位移為277 mm,巷道煤柱內(nèi)垂直應力及頂板下沉量較大,說明這一切頂高度不利于巷道的穩(wěn)定;當切頂角度為15°時,巷道煤柱內(nèi)垂直應力峰值為38.6 MPa,巷道頂板最大垂直位移為235 mm,巷道煤柱內(nèi)垂直應力及頂板下沉量下降明顯,巷道變形得到了一定控制;當切頂角度為20°時,巷道煤柱內(nèi)垂直應力峰值為39.5 MPa,巷道頂板最大垂直位移為268 mm,巷道煤柱內(nèi)垂直應力及頂板下沉量再一次顯著增加,不利于巷道的穩(wěn)定。對比分析可見,切頂角度15°時巷道所受應力及位移整體較小,由此確定合理切頂角度為15°。
圖3 不同切頂角度模擬結(jié)果
當工作面頂板屬于堅硬頂板條件時,如果不能確保頂板順利垮落,頂板所承受的應力將持續(xù)施加在巷道煤柱側(cè)及回采幫側(cè),巷道頂板及兩幫圍巖在高應力作用下將發(fā)生嚴重變形。通過對工作面堅硬頂板適時實施切頂卸壓,通過定向預裂爆破方式將工作面頂板與巷道頂板分隔,切斷頂板應力傳遞路線,在合理范圍內(nèi)確保巷道頂板的穩(wěn)定性,這是切頂卸壓的內(nèi)涵所在。如果頂板無法順利垮落,高應力會沿著頂板作用于巷道幫側(cè),導致的最終結(jié)果就是使相鄰工作面巷道變形嚴重。以切頂卸壓為核心的原理在于將工作面頂板與巷道頂板有效分離,切斷或減弱巷道上覆頂板壓力傳遞。
通過合理優(yōu)化切頂卸壓參數(shù),采用雙向聚能爆破預裂方法,是達到最佳切頂卸壓效果的重要保證。該爆破預裂方法首先采取特定的裝藥方式,將藥卷填充在聚能裝置中,作用在于進行爆破作業(yè)后,預裂孔周圍圍巖可以承受均勻壓力,利用巖石本身受壓不受拉的特點使裂縫按照要求形成,聚能裝置也可以對圍巖形成一定的保護作用,降低爆破擾動對圍巖的損傷程度。該爆破方法施工方便,有效減少炸藥單耗,使巖石在爆破作用下產(chǎn)生集中應力,保證預裂炮孔能夠沿著聚能方向順利擊穿,產(chǎn)生較好的預裂面,實現(xiàn)對巷道頂板的有效保護。
15#煤層基本頂為灰?guī)r,巖性堅硬,結(jié)合礦山實際,采用乳化炸藥規(guī)格為Φ35 mm×200 mm/卷。單個切縫卸壓爆破孔裝藥量按下式確定:
式中:W為單孔裝藥量,kg;L為切縫孔深,取9 m;μ為裝藥系數(shù),取0.8;ρ為裝藥密度,取0.3 kg/(孔·m)。
將數(shù)據(jù)帶入公式(3),計算得單孔裝藥量為2.16 kg/孔。為便于裝藥、保證爆破效果,采用聚能管直徑為42 mm,長度為1.5 m,爆破孔口采用炮泥封孔。采用逐孔裝藥爆破方式,在預裂鉆孔內(nèi)布置4 根聚能管,布置順序即由里到外分別是1.5 m、1.5 m、1.5 m、1.5 m,裝藥方式為“4+3+3+2”,裝藥方式見圖4。
圖4 聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)圖
為防止吹孔,炮孔的封泥長度不小于3 m(若切頂預裂爆破出現(xiàn)瞎炮,封泥可試用紅膠泥:黃土:水=6:3:1;若切頂后留下部分炮窩,建議掛網(wǎng)噴漿修復)。由于切頂孔的深度會遇地質(zhì)變化,故切頂時必須根據(jù)地質(zhì)變化確保切斷基本頂。
1)頂板支護
巷道頂板采用“錨桿+金屬網(wǎng)+錨索”聯(lián)合支護。頂錨桿參數(shù)為Ф20 mm×2400 mm,每排布置5根,間排距為1200 mm×1400 mm,靠近巷幫的頂板錨桿與頂板成15°角,距幫部300 mm;巷道頂部鋪設Ф2.6 mm 勾花菱形鐵絲網(wǎng),網(wǎng)片規(guī)格1100 mm×10 000 mm,網(wǎng)片搭接長度為100 mm,用16#鐵絲每200 mm 綁扎一道。頂錨索參數(shù)為Ф17.8 mm×5300 mm,每排1 根錨索,排距1600 mm,錨索預緊力不低于180 kN。錨索須采取防斷射措施,防止錨索崩斷傷人及損壞設備。
2)兩幫支護
兩幫采用“錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁+錨索”聯(lián)合支護?;夭蓭湾^桿參數(shù)為Ф20 mm×2000 mm,每排4 根錨桿,間排距為1000 mm×1200 mm,錨桿與巷幫垂直布置。在打設錨桿區(qū)域布置兩道縱筋,縱筋間距150 mm,鋼帶壓網(wǎng);煤柱幫每排補打兩根Ф17.8 mm×4500 mm 錨索,間排距為1600 mm×2000 mm;巷道幫部采用鐵絲網(wǎng)鋪設,鋪設Ф2.6 mm 勾花菱形鐵絲網(wǎng),用16#鐵絲每200 mm 綁扎一道。巷道加強支護斷面如圖5。
圖5 巷道加強支護斷面圖
針對15218 工作面厚硬頂板實施留設小煤柱切頂卸壓及圍巖控制技術(shù)后,可多回收11 m 寬區(qū)段護巷煤柱,延長了礦井服務年限。方案實施前后巷道圍巖變形情況監(jiān)測結(jié)果如圖6。方案實施前,巷道變形穩(wěn)定后頂板最大下沉量446 mm,兩幫移近量523 mm;方案實施后,巷道變形穩(wěn)定后頂板最大下沉量為221 mm,兩幫移近量為228 mm。與實施前相比,頂板下沉量降低了50.4%,兩幫移近量降低了56.4%,沿空巷道頂板變形得到了有效控制。
圖6 巷道變形監(jiān)測結(jié)果
1)通過理論分析,確定15218 工作面合理煤柱留設寬度應在7.9~8.9 m 范圍內(nèi),考慮巷道有效維護與煤柱資源高效回收因素,確定合理煤柱尺寸為9 m。
2)通過數(shù)值模擬分析,當切頂高度由9 m 增加至10 m 時,巷道應力及位移下降趨勢較緩慢,表明巷道變形趨于穩(wěn)定;當切頂角度為15°時,巷道所受應力及位移整體較小,由此確定合理切頂高度與角度分別為9 m 與15°。
3)研究提出了以“4+3+3+2”裝藥方式為主的聚能爆破切頂卸壓方法,結(jié)合“錨桿+金屬網(wǎng)+鋼筋梯子梁+錨索”支護方法,可保證堅硬頂板巷道的穩(wěn)定。
4)針對堅硬頂板條件提出的小煤柱切頂卸壓與圍巖控制技術(shù),通過礦山現(xiàn)場實際應用,頂板下沉量減小了50.4%,巷道兩幫變形量減小了56.4%,巷道變形得到了有效控制。