切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵切頂參數(shù)的研究

郜昱

摘 要：為解決切頂卸壓沿空留巷道煤柱寬度造成的資源浪費(fèi)問題，馬蘭礦以12503工作面為背景，采用小煤柱沿空留巷的開采方法來提升工作面回采效率，同時(shí)對(duì)沿空留巷煤柱合理寬度尺寸和巷道頂板卸壓的爆破技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，保證礦井的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：切頂卸壓;沿空留巷道;煤柱;回采效率

隨著，采掘深度的不斷延伸針對(duì)堅(jiān)硬頂板的條件下如何預(yù)裂留巷頂板，國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)切頂卸壓方案即針對(duì)不同條件下進(jìn)行了深入研究，從爆破機(jī)理到爆破參數(shù)以及爆破后形成的效果，同時(shí)，還深入分析了在此類條件下的留巷效果。最后將切頂卸壓技術(shù)在工作面實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明采用此技術(shù)在卸壓方面有著非常突出的作用，馬蘭礦為提高沿空留巷道煤柱的資源回收問題，提出采用小煤柱沿空留巷的開采方法以提高工作面回采率提高回采效率。

1 礦井概況

馬蘭礦位于古交市區(qū)西南16km位置，設(shè)計(jì)年產(chǎn)400萬t，現(xiàn)主要開采2#、8#煤層，礦井的開拓方式為斜井、立井聯(lián)合開拓。12503工作面位于馬蘭礦五采區(qū)，主采煤層為2#煤層，開采煤層平均厚度3.02m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)為0，27（0.19）2.56，煤層平均傾角5°。馬蘭礦以12503工作面為背景，在該工作面采用小煤柱沿空留巷的開采方法提高資源回采效率。

2 數(shù)值模擬的建立

在煤礦井下開采過程中，合理煤柱寬度的留設(shè)是影響沿空巷道留巷成功的關(guān)鍵，合理的小煤柱尺寸不僅在維護(hù)礦井施工、保障生產(chǎn)安全中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而且能夠有效地提高井下煤炭資源采出率。布置合理的區(qū)段煤柱寬度，不僅要考慮受采動(dòng)影響下圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律，更要考慮其煤柱自身的完整性，確保其能夠?yàn)橄锏婪?wù)。

煤體巷道屬于非均質(zhì)，分層特征十分明顯，假設(shè)煤層界面是煤層相對(duì)頂?shù)装鍘r體運(yùn)動(dòng)的滑移面，且在煤體應(yīng)力極限平衡邊界有：煤體的垂直應(yīng)力為側(cè)向動(dòng)壓系數(shù)與上覆巖層壓力乘積，水平應(yīng)力則可通過垂直應(yīng)力與側(cè)壓系數(shù)相乘求得，通過極限平衡理論，可得巷道圍巖極限平衡區(qū)寬度計(jì)算式：

式中：X0-塑性區(qū)寬度，煤體應(yīng)力極限平衡區(qū)寬度，m;M-煤層厚度，m;λ-側(cè)壓系數(shù);K-掘巷引起的應(yīng)力集中系數(shù);γ-上覆巖層的平均容重，kg/m3;H-開采深度，m;Px-巷道支架作用于煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，MPa;C0-煤巖體層里面的粘聚力，MPa;假設(shè)，破碎區(qū)內(nèi)的煤體仍具有一定的殘余強(qiáng)度，煤體所受的垂直應(yīng)力小于原巖應(yīng)力，破碎煤體只受極限平衡區(qū)內(nèi)的垂直應(yīng)力σz1，則可求出破碎區(qū)寬度。

結(jié)合12503工作面具體地質(zhì)條件及開采狀況，上述各式具體參數(shù)取值：煤層厚度M=2.5m，側(cè)壓系數(shù)λ=0.96，應(yīng)力集中系數(shù)k=2.8，上覆巖層平均容重γ=2.5×103kg/m3，采深H=800m，粘聚力C0=3.64MPa，內(nèi)摩擦角?0=31°，支架作用于煤幫的支護(hù)強(qiáng)度Px=0.3MPa。

經(jīng)過公式計(jì)算可得，極限平衡區(qū)（塑性區(qū)）寬度x0=3.8m

破碎區(qū)寬度xs=1.1m，所以進(jìn)行留小煤柱沿空留巷試驗(yàn)段掘巷時(shí)，合理小煤柱尺寸應(yīng)在4m≤x≤8m。通過綜合分析理論計(jì)算結(jié)果與模擬工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ植家?guī)律，確定卸壓區(qū)的范圍為10m。為了保證將煤柱布置于低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，以便減少煤柱變形，保證煤柱內(nèi)部完整，有助于錨桿能夠有效發(fā)揮支護(hù)作用，從而維持巷道的整體穩(wěn)定性，初步設(shè)計(jì)高家堡煤礦沿空留巷試驗(yàn)段煤柱留設(shè)尺寸小于10m。提出了三種不同煤柱尺寸的數(shù)值模擬計(jì)算方案：6m、8m、10m煤柱一次采動(dòng)下圍巖位移變化進(jìn)行對(duì)比分析。

隨著煤柱尺寸的增大，頂板下沉量始終控制在500mm范圍內(nèi)，下沉量基本始終處于可控范圍內(nèi);底板的底鼓量始終保持在較小的范圍內(nèi);實(shí)體煤側(cè)的煤幫變形量同樣較小，變化較為平穩(wěn);煤柱幫側(cè)的巷道變形量在煤柱尺寸為5m時(shí)最大，達(dá)到550mm。煤柱幫側(cè)的變形量會(huì)隨著煤柱尺寸的增大而減小，最終趨向穩(wěn)定，表明5m煤柱時(shí)，煤柱破碎嚴(yán)重，幾乎不具有承載能力，變形嚴(yán)重，當(dāng)煤柱尺寸為6～7m時(shí)，煤柱所具有的承載能力開始提高，具有一定抵抗變形的能力，表明該尺寸范圍內(nèi)的煤柱穩(wěn)定性較好;所以將煤柱尺寸定位7m。

3 切頂卸壓爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔直徑

由于工作面深度較大，對(duì)于超前斷頂預(yù)裂爆破，大孔爆破明顯小孔，因此采用直徑75mm的大孔徑爆破。12503工作面的不耦合系數(shù)取1.25。

3.2 鉆孔傾角

綜合分析12503工作面實(shí)際情況，最終確定超前深孔爆破斷頂預(yù)裂鉆孔施工角度為仰角65°。

3.3 鉆孔深度與間距

為了達(dá)到理想的缷壓效果，鉆孔的深度應(yīng)盡量靠近支承壓力峰值區(qū)，以12503工作面煤體側(cè)向支承壓力實(shí)測及理論計(jì)算為依據(jù)，為了保證能夠達(dá)到預(yù)期的缷壓效果，孔深設(shè)計(jì)為40m。采用深孔爆破的方式對(duì)頂板進(jìn)行斷頂預(yù)裂爆破時(shí)，在炸藥爆炸時(shí)四周均為巖石，無自由面，爆破時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波可以看做是在巖體四周均勻擴(kuò)散的。爆炸后在巖體內(nèi)會(huì)以鉆孔為中心依次產(chǎn)生R0鉆孔半徑、R1粉碎區(qū)、R2破裂區(qū)、R3震動(dòng)區(qū)。鉆孔內(nèi)炸藥起爆后，產(chǎn)生的應(yīng)力波致使巖體粉碎破壞，從而形成的粉碎區(qū)，其粉碎區(qū)的半徑計(jì)算公式可用公式進(jìn)行：

式中：R1-粉碎區(qū)半徑;ρm-巖石的初始密度，kg/m3;Cp-巖體縱波速度，m/s;RK-空腔半徑極限值，用公式進(jìn)行計(jì)算;σc-巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

式中：rb-鉆孔半徑，mm;P1-炸藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的爆壓，MPa，可用公式計(jì)算;σ0-多向應(yīng)力下的巖石強(qiáng)度，MPa，可用公式計(jì)算。

由于在炸藥爆炸后，產(chǎn)生的沖擊波對(duì)煤體的作用力時(shí)間非常短暫，并且其效應(yīng)迅速衰減，粉碎區(qū)半徑相對(duì)較小，因此破裂區(qū)的半徑計(jì)算對(duì)于研究鉆孔布置參數(shù)至關(guān)重要。目前，對(duì)于破裂區(qū)的半徑的確定主要以應(yīng)力波作用為主，因此通過應(yīng)力波作用的計(jì)算公式對(duì)破裂區(qū)的半徑進(jìn)行求解：

式中：R2-破裂區(qū)半徑，mm;b-徑向應(yīng)力與切向應(yīng)力的比值，可用公式計(jì)算;α-應(yīng)力波衰減系數(shù)，可用公式計(jì)算;P2-不耦合裝藥系數(shù)下，沖擊波應(yīng)力峰值;rb-鉆孔半徑，mm;ST-巖石單軸抗拉強(qiáng)度，MPa。

式中：P0-炸藥密度，kg/m3;D-爆炸速度，m/s;Rc-裝藥半徑，mm;n-應(yīng)力增大倍數(shù)，一般取值8～11。將馬蘭的巖石力學(xué)資料代入上述式中，并且與炸藥裝藥量耦合計(jì)算，進(jìn)行求解，可得出粉碎區(qū)半徑R1為0.7m，破裂區(qū)半徑R2為4.8m。通過理論分析與現(xiàn)場調(diào)查可知，在煤層條件一定時(shí)，鉆孔間距越小，越有利于裂隙擴(kuò)展形成預(yù)裂面，其缷壓效果越好。確定鉆孔間距為2m。

3.4 爆破孔封孔長度

封孔的長度也是影響爆破效果關(guān)鍵性因素。封孔長度過短可能會(huì)導(dǎo)致爆炸效果減弱，通過計(jì)算確定其封孔長度為15m。綜合確定12503運(yùn)輸巷深孔斷頂預(yù)裂爆破裝藥方式。其裝藥總長定為8.5m，裝藥量20kg，分為20塊，每10塊炸藥為一組，分別用長為42m和38m的導(dǎo)爆索連接，封孔長度為15m，導(dǎo)爆索底端用毫秒延遲電雷管引爆。

4 結(jié)論

馬蘭礦為提高資源的回采效率，在12503工作面采用小煤柱沿空留巷的開采方法，同時(shí)對(duì)留設(shè)煤柱的寬度進(jìn)行計(jì)算。并通過數(shù)值模擬對(duì)留設(shè)不同尺寸煤柱條件下巷道在一次采動(dòng)條件下巷道位移情況進(jìn)行模擬分析，最終選定留設(shè)煤柱的合理寬度為7m，在確定小煤柱尺寸后又給出了頂板卸壓的具體爆破參數(shù)，有效提高回采效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]李博.大同礦區(qū)堅(jiān)硬頂板切頂卸壓沿空留巷開采技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭科技，2019，40（02）：87-89.