切頂卸壓沿空留巷預裂切縫技術參數(shù)在億欣煤礦的應用

王朋衛(wèi)

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 技術研究院有限責任公司，山西 晉城 048000)

1 工作面概況

億欣煤業(yè)XV1306工作面位于15#煤一盤區(qū),工作面東為XV1307工作面,西為實體煤,南為保安煤柱,北為東軌道大巷。煤層厚度2.0 m～2.6 m,平均厚度2.3 m,中部含夾矸厚0.3 m,工作面傾角2°～9°,平均3°,采用長壁式采煤方法,綜合機械化采煤工藝,全部垮落法管理頂板。

XV1306工作面采用110工法自動成巷技術[1],設計在XV1213切頂留巷461 m(距XV1306工作面切眼0～461 m)，具體如圖1所示。

2 工程地質條件

1)煤層產(chǎn)狀。15#煤層位于太原組底部,井田內外有鉆孔及井巷對煤層進行了控制,K2灰?guī)r為其直接頂板,煤層厚度2 m～2.6 m,平均2.3 m。井田東部煤層較厚,向西有逐漸變薄的趨勢,為井田內賦存區(qū)穩(wěn)定可采煤層,煤層層位及厚度均很穩(wěn)定,屬結構簡單穩(wěn)定型煤層。一般含1～2層泥巖夾矸,煤層頂板為K2灰?guī)r,大部分有炭質泥巖偽頂;底板為中厚層狀泥巖、炭質泥巖。

圖1 XV1306、XV1307工作面及XV1213巷、XV1214巷位置示意圖Fig.1 Positions of working face XV1306 and XV1307 with roadway XV1213 and XV1214

2)頂?shù)装鍘r性。從ZK3-3柱狀可知,基本頂為K2灰?guī)r,直接賦存在煤層上方,厚8.9 m～16.36 m;在頂板下位上方8.9 m處有厚度為1.7 m的砂質泥巖和0.4 m的煤線。直接底為泥巖,厚1.8 m。工作面綜合柱狀圖如圖2所示。

工作面揭露煤層厚度為2.0 m～2.6 m,均厚2.3 m,屬于中厚煤層,工作面范圍內煤層較穩(wěn)定,含有1～2層夾矸,夾矸多為炭質泥巖,厚度為0.2 m～0.75 m,煤層傾角為2°～9°,屬于緩傾斜煤層。

圖2 工作面綜合柱狀圖Fig.2 Synthetic stratum histogram of working face

3 切頂卸壓主要指標的選取

切頂卸壓技術就是要保證頂板下得來自動成巷,三個關鍵技術指標顯得尤為重要:預裂切頂高度、預裂切頂角度和預裂爆破鉆孔間距。

1)預裂切縫深度的選擇。預裂切縫深度HF臨界設計公式如下:

HF=(HM-ΔH1-ΔH2)/(K-1)[2,6].

式中:ΔH1為頂板下沉量,m;ΔH2為底臌量,m;K為碎脹系數(shù),根據(jù)不同巖性的碎脹系數(shù)(如表1所示),取1.3～1.5。

表1 不同巖性的碎脹系數(shù)Table 2 Bulk increase coefficient of different rocks

根據(jù)億欣礦直接頂為硬度較大的K2灰?guī)r,本設計K暫按1.4取值,根據(jù)補打鉆孔資料顯示,煤厚變化不大,在不考慮底臌及頂板下沉的情況下,工作面采高取最大值2.6 m時,HF=6.5 m,從ZK3-3巖性柱狀圖可知,直接頂K2灰?guī)r厚度達到9 m,根據(jù)以往的施工經(jīng)驗,切斷關鍵層K2灰?guī)r巷道垮落更充分,留巷效果更好,故確定切縫深度為10 m。

2)預裂切縫角度的選擇。經(jīng)驗表明,選擇合適的角度切頂可以有效切斷采空區(qū)頂板與留巷頂板間的應力傳遞[3-4],有利于留巷順槽圍巖的穩(wěn)定,能夠保證留巷效果最好。

根據(jù)相關模擬計算,當選擇切縫角度為0°～10°時,切頂面兩側仍有壓應力集中現(xiàn)象存在,同時采空區(qū)側留巷墻體受到較大集中應力;選擇切縫角度為15°～20°時,切頂面兩側壓應力消除,同時采空區(qū)側留巷旁墻體內集中應力最小。表明在0°～20°范圍內時隨著切縫角度的增大,切頂面兩側應力逐漸減小,同時采空區(qū)側留巷旁墻體所承受的壓力也逐漸減小[5]。再結合已經(jīng)確定的10 m切頂高度的要求,為將9 m厚的K2灰?guī)r完全切割,故選擇切頂角度為15°,如圖3所示。

圖3 預裂切縫角度示意圖Fig.3 Pre-splitting cutting angle

3)切縫孔間距的選擇。礦井工作面頂板爆破預裂切縫鉆孔一般根據(jù)工程性質及現(xiàn)場施工質量要求，并結合現(xiàn)有的設備條件選擇,小直徑鉆孔對周圍巖石破壞范圍小,預裂面形狀也容易控制,一般情況下炮孔間距為10～15倍的鉆孔直徑[6],另外,炮孔間距根據(jù)巖性的不同,取值也不大相同,當頂板為堅硬巖層時,炮孔間距可取較小值;當頂板為軟弱巖層時,炮孔間距可取較大值;當頂板為破碎巖層時,炮孔間距取值可繼續(xù)適當增大;當頂板為復合巖層時,需要結合現(xiàn)場試驗結果確定。

綜合頂板巖性(本工作面頂板為中硬巖石)、頂板爆破預裂切縫效果、打眼速度等因素,擬采用DCD-45切縫鉆機施工,配套鉆桿直徑42 mm、鉆頭直徑52 mm,確定鉆孔直徑d=52 mm,切縫孔間距選取500 mm、700 mm和800 mm三種爆破試驗方案,首先根據(jù)方案設計進行單孔試驗,確定合理的裝藥量和封泥長度,再進行間隔爆破,觀察相鄰兩裝藥孔間空孔內裂紋情況。如相鄰兩裝藥孔間空孔裂紋未達到裂縫率要求標準,再進行一次連續(xù)爆破試驗,最終確定一次爆破孔數(shù)以及爆破方式等。

根據(jù)試驗爆破效果及窺孔結果情況,最終選擇切縫孔間距選取500 mm時,切縫孔的裂縫率達到了技術標準,切縫孔間距500 mm爆破試驗方案，如圖4所示。

圖4 切縫孔間距500 mm爆破試驗方案Fig.4 Bursting test of 500mm slotted hole spacing

4 工作面實際應用情況

目前,XV1306工作面推進進度約150 m,在工作面推進30 m后,頂板開始垮落,從現(xiàn)場情況看,只在架后15 m位置,出現(xiàn)局部采空區(qū)頂板垮落沖垮擋矸支護的情況,棚柱倒塌范圍約3 m,原因在于回采過程中未嚴格按照設計要求施工,在工作面開始后約0～20 m范圍內,出現(xiàn)部分空頂區(qū),巷道中部只架設了四根液壓柱,未嚴格執(zhí)行采用單體柱+π型梁的“一梁四柱”支護方式[7],可縮U型鋼支架之間未用卡蘭和連桿將其連成一個整體,除此段區(qū)域外,其他區(qū)域成巷效果良好。

5 結束語

切頂卸壓技術中預裂孔角度的選擇是為了使爆破后采空區(qū)頂板垮落對留巷頂板形成新的支撐作用,減弱留巷頂板對擋矸支護的壓力,形成穩(wěn)定的留巷巷幫;預裂孔深度是根據(jù)煤層厚度及直接頂?shù)膸r性和厚度決定的,選擇合理的孔深可使采空區(qū)頂板充分垮落,配合角度的選擇,阻斷了留巷頂板與采空區(qū)頂板的應力傳遞,提高了成巷的穩(wěn)定性;切縫孔間距的選擇提高了切縫孔的裂縫率,保證了爆破效果。

綜上所述,億欣礦切頂卸壓選取切縫角度為15°,切縫孔深為10 m,切縫孔間距為500 mm的關鍵參數(shù),沿空留巷穩(wěn)定,成巷效果較好。