松河煤業(yè)120306 工作面堅(jiān)硬頂板弱化技術(shù)研究

曾誠，杜進(jìn)朝，敖學(xué)俊，龍聲德

（貴州松河煤業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，貴州六盤水 553000）

煤炭資源一直在我國一次性能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，雖然近年來新能源行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，但煤炭資源仍然占據(jù)我國能源供應(yīng)“壓艙石”的地位。在煤礦開采過程中，頂板事故數(shù)量及傷亡人數(shù)在煤礦各類事故中占比較大，尤其是煤層開采過程中，頂板巖層較為堅(jiān)硬，容易形成大面積懸頂，一旦處理不當(dāng)極易引發(fā)冒頂事故。本文以松河煤業(yè)為工程背景，對于工作面堅(jiān)硬頂板弱化技術(shù)進(jìn)行分析、研究。

1 概況

松河煤業(yè)位于貴州省六盤水市盤縣北部的松河彝族鄉(xiāng)，目前主采3 號煤層，平均煤層厚度為2.3 m，煤層上方依次為均厚12.8 m 的粉砂巖和均厚3.9 m 的細(xì)砂巖，煤層下方依次為均厚9.5 m 的粉砂巖和均厚5.6 m 的細(xì)砂巖。3 號煤層頂?shù)装鍘r層巖性及厚度見表1。

表1 3 號煤層頂?shù)装鍘r層巖性及厚度Table 1 Roof and floor rock lithology and thickness of No.3 coal seam

根據(jù)松河煤業(yè)3 號煤層已采工作面現(xiàn)場實(shí)際情況，采場上覆粉砂巖厚度較大，且完整性較好，節(jié)理裂隙發(fā)育不充分，導(dǎo)致工作面回采過程中，采空區(qū)很容易形成大面積懸頂，后續(xù)需要通過一系列強(qiáng)制放頂措施以避免冒頂事故的發(fā)生，極大的影響了工作面回采進(jìn)度及現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。因此，提出采用深孔預(yù)裂爆破的方式對頂板巖層進(jìn)行弱化，以防止采空區(qū)形成大面積懸頂，并在松河煤業(yè)120306工作面進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模擬分析

為分析預(yù)裂爆破對頂板巖層的損傷范圍，借助ABAQUS 數(shù)值模擬軟件，以松河煤業(yè)3 號煤層賦存條件為基礎(chǔ)構(gòu)建數(shù)值模型，3 號煤層頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 3 號煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of No.3 coal seam and its roof and floor strata

按照松河煤業(yè)地質(zhì)條件及施工條件，預(yù)裂爆破孔直徑設(shè)計(jì)為75 mm，根據(jù)以往數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，模擬計(jì)算范圍應(yīng)不小于鉆孔直徑的60 倍，約4.5 m左右。采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，數(shù)值模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分Fig.1 Numerical model meshing

2.1.1 單孔爆破

單孔爆破過程中，應(yīng)力分布如圖2 所示。

圖2 爆破過程中應(yīng)力分布情況Fig.2 Stress distribution in blasting process

如圖2 所示，在爆破過程中炸藥產(chǎn)生的沖擊波呈放射狀傳播，沖擊波引發(fā)的沖擊應(yīng)力同樣也呈現(xiàn)放射狀分布，炮孔周邊巖體在沖擊應(yīng)力的擠壓作用下形成節(jié)理、裂隙，從而達(dá)到弱化頂板堅(jiān)硬巖層的目的。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，預(yù)裂爆破沖擊應(yīng)力影響范圍約為2～3 m。

2.1.2 聯(lián)孔爆破

根據(jù)前述研究結(jié)果，對預(yù)裂爆破孔間距分別為1、2、3、4 m 等不同工況條件下進(jìn)行模擬分析，不同預(yù)裂爆破孔間距條件下炮孔應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 不同炮孔間距條件下應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution under different hole spacing conditions

如圖3 所示，不同預(yù)裂爆破孔間距條件下爆破過程中應(yīng)力分布差別較大。當(dāng)預(yù)裂爆破孔間距為1 m 時，質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度263 cm/s，炮孔周邊巖體處于完全破碎狀態(tài)；當(dāng)預(yù)裂爆破孔間距為2 m 時，質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度115 cm/s，炮孔周邊巖體受沖擊應(yīng)力的影響，拉伸裂隙及徑向裂隙均充分發(fā)育；當(dāng)預(yù)裂爆破孔間距為3 m 時，質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度80 cm/s，在爆破沖擊應(yīng)力作用下，拉伸裂隙及徑向裂隙發(fā)育較為充分；當(dāng)預(yù)裂爆破孔間距為4 m 時，質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度61 cm/s，由于炮孔間距較大，在沖擊應(yīng)力作用下炮孔周邊巖體僅能產(chǎn)生輕微的拉伸裂隙及徑向裂隙。

整體看來，當(dāng)預(yù)裂爆破孔間距為1 m 時，由于炮孔間距過小，炮孔周邊巖體過于破碎，對后期工作面回采過程中巷道圍巖的穩(wěn)定性造成較大影響；當(dāng)預(yù)裂爆破孔間距為4 m 時，由于炮孔間距過大，所形成的節(jié)理裂隙無法有效的弱化堅(jiān)硬頂板巖層；當(dāng)預(yù)裂爆破孔間距為2 m 或3 m 時，炮孔之間形成的節(jié)理、裂隙可以貫通，而且圍巖并不止于過分破碎，不會影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。為保證堅(jiān)硬頂板弱化效果，讓爆破形成的拉伸裂隙及徑向裂隙更為充分，確定此次預(yù)裂爆破孔間距為2 m。

2.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)松河煤業(yè)3 號煤層已采工作面現(xiàn)場觀測，懸頂巖層主要為3 號煤層上方均厚12.8 m 的粉砂巖，因此預(yù)裂爆破主要針對3 號煤層上方的粉砂巖。根據(jù)臨近礦井相似地質(zhì)條件的預(yù)裂爆破工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用扇形孔的方式對頂板堅(jiān)硬巖層進(jìn)行預(yù)裂爆破，預(yù)裂爆破孔垂直高度不小于12.8 m，保證工作面上方粉砂巖層的弱化效果。如圖4 所示，共設(shè)計(jì)兩類預(yù)裂爆破孔，其中預(yù)裂爆破孔A 與豎直方向夾角為20°，孔深14 m；預(yù)裂爆破孔B 與豎直方向夾角為60°，孔深26 m；在松河煤業(yè)120306 軌道巷和皮帶巷均施工預(yù)裂爆破孔，預(yù)裂爆破孔間距為2 m。預(yù)裂爆破孔參數(shù)見表3。

圖4 鉆孔布置示意Fig.4 Borehole layout

表3 預(yù)裂爆破孔參數(shù)Table 3 Pre-splitting blasting hole parameters

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

按照前述設(shè)計(jì)方案在松河煤業(yè)120306 工作面進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。在120306 軌道巷及皮帶巷施工預(yù)裂爆破孔A 和預(yù)裂爆破孔B。在工作面回采前，即進(jìn)行預(yù)裂爆破，將工作面上方均厚12.8 m 的粉砂巖弱化。根據(jù)礦方現(xiàn)有條件，確定采用2 號礦用乳化炸藥進(jìn)行爆破，炸藥尺寸為60 mm×500 mm，每卷藥卷1.5 kg，2 號礦用炸藥參數(shù)見表4。

表4 2 號礦用乳化炸藥技術(shù)參數(shù)Table 4 Technical parameters of No.2 mine emulsion explosive

為了解頂板巖層弱化效果，對工作面回采過程中液壓支架工作阻力及采空區(qū)頂板巖層垮落情況進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。工作面液壓支架每隔5 架安裝1 臺應(yīng)力監(jiān)測儀。為分析方便，將工作面劃分為上、中、下3 個區(qū)域，其中5 號、10 號、15 號、20 號液壓支架劃分為工作面上部，45 號、50 號、55 號、60號液壓支架劃分為工作面中部，85 號、90 號、95號、100 號液壓支架劃分為工作面下部，工作面液壓支架工作阻力現(xiàn)場監(jiān)測曲線如圖5 所示。

圖5 工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測曲線Fig.5 Working face hydraulic support working resistance monitoring curve

如圖5 所示，監(jiān)測期間工作面共來壓6 次，其中工作面上部周期來壓步距平均為18.2 m，來壓期間液壓支架工作阻力平均值為2609.4 kN，最大值達(dá)到2709.2 kN，非來壓期間，工作阻力平均值為2356.8 kN，最大值為2397.4 kN；工作面中部周期來壓步距平均為18.4 m，來壓期間液壓支架工作阻力平均值為2668.1 kN，最大值達(dá)到2750.1 kN，非來壓期間，工作阻力平均值為2382.1 kN，最大值為2446.2 kN；工作面下部周期來壓步距平均為18.9 m，來壓期間液壓支架工作阻力平均值為2737.5 kN，最大值達(dá)到2855.2 kN，非來壓期間，工作阻力平均值為2373.6 kN，最大值為2436.1 kN。整體看來，工作面上部、中部、下部周期來壓步距基本接近，平均為18.5 m，預(yù)裂爆破后采空區(qū)并未出現(xiàn)大面積懸頂情況，頂板垮落效果良好。

4 結(jié)語

本文針對松河煤業(yè)3 號煤層上方存在厚硬頂板巖層，工作面回采過程中頂板巖層不易垮落的問題，采用理論分析、數(shù)值模擬，提出采用深孔預(yù)裂爆破的方式對厚硬頂板巖層進(jìn)行弱化，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。根據(jù)3 號煤層賦存情況，共設(shè)計(jì)兩種預(yù)裂爆破孔，其中預(yù)裂爆破孔A 與豎直方向夾角為20°，孔深14 m，預(yù)裂爆破孔B 與豎直方向夾角為60°，孔深26 m，炮孔間距為2 m。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對頂板巖層進(jìn)行神孔預(yù)裂爆破后，工作面周期拉壓步距為18.5 m，采空區(qū)頂板巖層垮落效果良好，保證了工作面安全開采。