厚硬頂板切頂卸壓圍巖變形控制技術(shù)研究

何春光，徐曉鼎，楊建輝，丁維波，王梓涵，王有展，陳 菲

(1.陜煤榆北曹家灘礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；4.陜西煤業(yè)化工集團(tuán) 神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300)

切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)是一種新型的巷道保護(hù)措施，其技術(shù)原理是打斷采區(qū)上覆厚硬巖層，減少壓力的傳遞。同時(shí)，采空區(qū)側(cè)利用巖石碎脹特性來(lái)減少采空區(qū)頂板的懸頂，進(jìn)而降低工作面前方的支承應(yīng)力，改善巷道圍巖環(huán)境，控制圍巖變形。

我國(guó)許多學(xué)者在切頂卸壓方面做了很多研究，康紅普等[1]對(duì)切頂卸壓后的壓力減小原理進(jìn)行分析，提出了深部卸壓沿空留巷圍巖控制技術(shù)。張農(nóng)等[2]建立了切頂卸壓后的覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，分析了圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移機(jī)理，提出了巷道整體化控制的思路。華心祝等[3]研究了切頂卸壓后的巷道圍巖變形規(guī)律，提出巷道圍巖變形的系統(tǒng)控制理論。黃慶享等[4]研究切頂卸壓后巷道幫部的變形機(jī)制，并建立了自穩(wěn)定平衡方程，提出了基于切頂卸壓后的巷幫圍巖控制技術(shù)。楊威[5]等對(duì)中厚煤層切頂卸壓留巷技術(shù)進(jìn)行工程研究，分析了切頂后礦壓衰減規(guī)律和巷道頂板變形機(jī)理。張金貴等[6]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了切頂卸壓對(duì)煤柱的卸壓作用，分析了切頂前、后煤柱塑性區(qū)范圍的變化，結(jié)果表明切頂后煤柱塑性區(qū)明顯減小。劉乙霖[7]，王文林等[8]通過(guò)深孔切頂卸壓技術(shù)解決了大采高下礦壓顯現(xiàn)劇烈問(wèn)題，并且良好地控制了巷道圍巖的變形。何滿潮等[9-11]對(duì)切頂卸壓無(wú)煤柱成巷進(jìn)行了系統(tǒng)化研究，對(duì)切頂后巷道的變形取得了良好的治理效果。馬廣興[12]，馬資敏等[13]研究了切頂卸壓后矸石的碎脹充填度對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響，結(jié)果表明矸石碎脹充填度越大礦壓卸載效應(yīng)越明顯。王寧等[14]運(yùn)用微震技術(shù)分析了切頂后礦壓衰減規(guī)律，揭示了切頂卸壓護(hù)巷機(jī)理。高玉兵等[15，16]分析了切頂卸壓后采場(chǎng)側(cè)向支承壓力變化規(guī)律及短臂梁的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)切頂后采場(chǎng)側(cè)向支承壓力明顯減小，但未對(duì)采場(chǎng)走向礦壓進(jìn)行深入分析。徐曉鼎[17，18]研究了采場(chǎng)覆巖斷裂規(guī)律，揭示了覆巖斷裂對(duì)巷道變形的作用機(jī)理。楊軍[19]、王琦[20，21]等分析了切頂卸壓后所留巷道上覆頂板的受力特征，并分析了頂板關(guān)鍵塊不同斷裂位置引起的支承壓力大小，揭示了定向聚能爆破切頂?shù)膲毫π遁d機(jī)理。然而，上述研究多是對(duì)薄煤層或中厚煤層條件下切頂卸壓機(jī)理及巷道圍巖變形進(jìn)行研究，在對(duì)特厚煤層堅(jiān)硬頂板下的預(yù)裂切頂卸壓研究甚少。因此，本文以曹家灘煤礦122108工作面作為工程實(shí)例，針對(duì)特厚煤層條件下的厚硬頂板的定向切頂預(yù)裂機(jī)理和動(dòng)壓巷道圍巖大變形控制展開系統(tǒng)研究，并提出圍巖控制關(guān)鍵技術(shù)，研究成果對(duì)切頂卸壓護(hù)巷技術(shù)優(yōu)化具有一定借鑒意義。

1 工程概況

曹家灘煤礦位于陜西省榆林市北部，該礦122108工作面長(zhǎng)280m，走向長(zhǎng)度5910m ，采用綜放開采工藝，采5.8m，放5～6m，煤層埋深300～363m，平均厚度10.25m，傾角0°～5°，煤層基本頂為中砂巖，厚度為22.4m。由于采場(chǎng)基本頂強(qiáng)度高、厚度大，較難垮落，且受上個(gè)122106工作面采空區(qū)的影響，使煤柱側(cè)應(yīng)力集中較大，致使122108工作面回風(fēng)巷底鼓和幫部也出現(xiàn)變形，巷道底板出現(xiàn)開裂、翹起等現(xiàn)象，底板混凝土翹起，底鼓量超過(guò)600mm，嚴(yán)重影響正常運(yùn)輸和行人。為此，通過(guò)定向切頂卸壓的方式預(yù)裂覆巖結(jié)構(gòu)，使采空區(qū)頂板與巷道頂板分離，切斷兩者之間應(yīng)力傳播途徑，達(dá)到優(yōu)化巷道應(yīng)力環(huán)境、控制巷道變形的目的，工作面及巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面及巷道布置

2 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)分析

切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵是確定合理的切頂參數(shù)[10-12]，切頂參數(shù)主要包括切頂角度、切頂高度、炮孔裝藥量及間距。切頂卸壓技術(shù)可以減小厚硬基本頂所形成的懸臂梁長(zhǎng)度，進(jìn)而減小懸臂梁結(jié)構(gòu)對(duì)上覆巖層載荷的傳遞作用，進(jìn)而減小煤柱側(cè)應(yīng)力集中，改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，從而控制巷道圍巖變形。

2.1 切頂角度

切頂角度主要考慮現(xiàn)場(chǎng)裝藥難易程度及切頂卸壓效果，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合曹家灘煤礦地質(zhì)條件及井下環(huán)境，設(shè)計(jì)切縫角度為60°。

2.2 切頂高度

切頂后采空區(qū)垮落巖石碎脹性對(duì)上覆巖層的支撐作用在巷道圍巖穩(wěn)定中起著重要作用。垮落的巖石碎脹后要能充分支撐頂板[13]。因此，從碎脹方面對(duì)切縫高度進(jìn)行計(jì)算。

預(yù)裂切縫高度(Hf)臨界設(shè)計(jì)公式如下：

Hf=(Hm-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；Hm為煤層厚度，m；K為碎脹系數(shù)，取1.38。

假設(shè)頂?shù)装遄冃螢?，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，角度為60°時(shí)，計(jì)算可得切縫高度32m。

2.3 炮孔裝藥量及間距

根據(jù)對(duì)頂板巖層性質(zhì)和爆破目的綜合分析，對(duì)加強(qiáng)爆破孔采用PVC定向爆破技術(shù)。為了防止爆破對(duì)巷道的沖擊，頂板加強(qiáng)爆破孔和定向切縫孔的裝藥系數(shù)取0.6，每孔裝藥24kg。

在藥量一定的條件下，炮孔爆轟力是一定的，當(dāng)爆轟力產(chǎn)生的拉應(yīng)力等于巖石抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，此時(shí)為巖石拉裂的臨界破壞點(diǎn)，也就是裂紋擴(kuò)展邊界，則裂紋擴(kuò)展半徑公式為：

(2)

式中，r為裂紋擴(kuò)展半徑，m；KI為巖石強(qiáng)度因子；σt為巖石極限抗拉強(qiáng)度，MPa；θ為爆轟力與裂紋的夾角，(°)。

根據(jù)曹家灘煤礦巖石地質(zhì)條件和炸藥參數(shù)，取KI=3.8，其老頂巖石抗拉強(qiáng)度σt=2.1MPa，聚能爆轟力與裂紋擴(kuò)展夾角θ=0°，將參數(shù)帶入式(2)，可求得爆破后裂紋擴(kuò)展半徑為1.15m，則兩炮孔貫通的最小間距為2.3m。為保證良好的爆破貫通率，取爆破炮孔間距為2m。

3 切頂卸壓數(shù)值模擬

為研究切頂卸壓技術(shù)對(duì)大采高強(qiáng)礦壓回風(fēng)巷道超前工作面底鼓的控制效果，根據(jù)巖層力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1，建立了FLAC3D三維數(shù)值計(jì)算模型，并分析切頂前后的應(yīng)力轉(zhuǎn)移規(guī)律。模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=725m×100m×150m，模擬煤層埋深為350m，上邊界施加荷載為6.5MPa的垂直應(yīng)力，水平方向施加梯形分布荷載，在122108回風(fēng)巷道偏工作面方向切頂，切縫深度32m，與水平夾角60°。下邊界垂直方向固定，前后、左右邊界水平方向固定。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

切頂前、后應(yīng)力變化如圖2所示。未切頂時(shí)，回風(fēng)巷道兩幫有明顯的應(yīng)力集中，煤柱側(cè)幫部最大應(yīng)力為30.7MPa，工作面?zhèn)葞筒孔畲髴?yīng)力為28.7MPa。當(dāng)完成切頂后，切斷了工作面超前應(yīng)力向煤柱側(cè)的傳遞路徑，使得工作面?zhèn)燃?8煤柱側(cè)的應(yīng)力集中得以釋放，所釋放的應(yīng)力向06煤柱側(cè)轉(zhuǎn)移。由于切斷了頂板與08煤柱的連接，使得122108回風(fēng)巷道煤柱側(cè)應(yīng)力由30.7MPa減小至12.8MPa，減小58.3%。切頂后應(yīng)力的大幅度減小并轉(zhuǎn)移是治理巷道底鼓變形的關(guān)鍵。

圖2 切頂前、后應(yīng)力變化(Pa)

4 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

4.1 切頂方案設(shè)計(jì)

4.1.1 炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)

基于采場(chǎng)覆巖地質(zhì)條件和數(shù)值模擬結(jié)果，為達(dá)到切頂卸壓目的需切斷采場(chǎng)上覆厚硬頂板，根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)定向切縫孔參數(shù)為：炮孔與水平夾角角度60°，孔深32m，鉆孔直徑90mm，炮孔間距2m。炮孔布置方式為：在回風(fēng)巷道3500～3600m位置布置定向切縫孔，定向切縫孔打孔位置為頂板工作面煤幫側(cè)，距離工作面煤幫500mm位置。定向切縫區(qū)炮孔布置如圖3所示。

圖3 定向切縫區(qū)炮孔布置(mm)

4.1.2 裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)頂板巖層性質(zhì)和爆破目的綜合分析，對(duì)加強(qiáng)爆破孔采用PVC非定向爆破技術(shù)，定向切縫孔定向聚能爆破技術(shù)。為了防止爆破對(duì)巷道的沖擊，設(shè)計(jì)炮孔裝藥系數(shù)取0.6，每米爆破采用礦用三級(jí)煤礦乳化炸藥，炮孔直徑90mm，用聚能管裝藥，直徑70mm，藥卷直徑64mm，裝藥19.2m，封孔12.8m，單孔裝藥量24kg，導(dǎo)爆索引爆。封口技術(shù)采用速凝水泥的方式，提高封口質(zhì)量，保證切頂效果，裝藥結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 定向切縫孔裝藥結(jié)構(gòu)

4.1.3 臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

為了保證切縫后巷道的穩(wěn)定性和安全性，需要在122108回風(fēng)巷架設(shè)臨時(shí)支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)方式以單體液壓支架為主。布設(shè)位置為爆破區(qū)域前后各50m范圍，布設(shè)1列，間距為2m。布置在切縫側(cè)，距離采幫1000mm。開始爆破時(shí)，爆破位置前后10m進(jìn)行第二列單體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行優(yōu)化，臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)

4.2 底鼓治理效果分析

工作面端頭回風(fēng)巷道有6組超前支架，未切頂爆破時(shí)回風(fēng)巷道6組超前支架底板的底鼓量均達(dá)到600mm，而切頂爆破后，巷道底鼓量明顯減小，但不同位置底鼓減小幅度不同，如圖6所示。其中，1#、2#超前支架處底板底鼓量縮減至300mm，較切頂爆破前減少50%，而3#、4#、5#、6#超前支架處底板底鼓量縮減至50mm，較切頂卸壓前少91%，則切頂爆破對(duì)于底鼓控制有顯著作用，分析原因?yàn)槎ㄏ蚯许敱朴行p小了巷道圍巖的應(yīng)力集中，使高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，從而減小巷道底鼓情況。

圖6 切頂前后巷道底鼓量變化

5 結(jié) 論

1)鑒于曹家灘煤礦厚硬頂板的難垮落導(dǎo)致回風(fēng)巷道超前段應(yīng)力集中、巷道底鼓變形嚴(yán)重的問(wèn)題，提出了定向預(yù)裂切頂卸壓技術(shù)。通過(guò)切斷巷道頂板與工作面上方頂板之間的聯(lián)系，弱化了工作面超前壓力對(duì)煤柱的影響，進(jìn)而達(dá)到減小回風(fēng)巷道超前段底鼓的問(wèn)題。

2)對(duì)切頂卸壓進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)切頂卸壓有效地改變了工作面兩巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布，將超前應(yīng)力傳遞路徑切斷，同時(shí)使工作面巷道側(cè)煤幫處于卸壓狀態(tài)，煤柱側(cè)煤幫應(yīng)力集中值降低，由28.7MPa減小到12.8MPa，減小55%。

3)以曹家灘煤礦122108工作面為工程背景展開了100m切頂卸壓現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)，進(jìn)行了定向爆破預(yù)裂參數(shù)設(shè)計(jì)，確定定向切縫角度60°，孔深32m，鉆孔直徑90mm，孔間距2m，每孔裝藥24kg的優(yōu)化參數(shù)。

4)卸壓治理效果結(jié)果表明，未實(shí)施切頂卸壓前，08回風(fēng)端頭巷道超前支架平均底鼓量超過(guò)600mm，而在定向爆破卸壓段底鼓量明顯減小。1#、2#超前支架平均底鼓為300mm，較卸壓前減少50%，后四架平均底鼓量為50mm，較卸壓前少91%，大大降低工作面超前支架段巷道底鼓量，有效減少機(jī)尾工人挖底工作量，提高了采煤效率和作業(yè)安全性。