預(yù)裂爆破切頂卸壓沿空留巷關(guān)鍵參數(shù)研究

劉文偉

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概述

18506工作面走向長(zhǎng)1302m，傾斜長(zhǎng)251m。工作面所采煤層為石炭系太原組8號(hào)煤層，平均厚度約為4.43m，煤層傾角平均約為4°。直接頂是深灰色泥灰?guī)r，厚度約為2.32m。老頂是灰色粉砂巖，層厚約為2.33m。直接底是灰黑色粉砂質(zhì)泥巖，厚度約為4.87m。由于工作面回采后會(huì)遺留煤柱，造成資源浪費(fèi)。為了減少煤炭資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，決定在18506運(yùn)輸巷進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷。巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置

2 切項(xiàng)卸壓沿空留巷原理

2.1 切項(xiàng)卸壓沿空留巷可行性分析

由于18506工作面煤層埋深較大，且頂板為泥砂巖，底板為粉砂質(zhì)泥巖。采用傳統(tǒng)的砌筑矸石帶和支設(shè)密集支柱會(huì)引起巷幫支承壓力過(guò)大，從而導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重。如果選用充填材料留設(shè)巷道，費(fèi)用較大，影響經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，決定在運(yùn)輸巷采用切頂卸壓沿空留巷的布置方式。

2.2 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的作用原理就是，使采空區(qū)頂板沿著定向爆破的切縫線自然垮落下來(lái)，掉落的巖體形成新的巷幫。沿空留巷可以減少煤礦生產(chǎn)的掘進(jìn)量，降低生產(chǎn)成本。

切頂?shù)母叨取⑶许數(shù)慕嵌纫约氨频你@孔間距是決定留設(shè)巷道好壞的決定性因素。想要完整的切下直接頂，就要確定好預(yù)裂切頂?shù)母叨取Ｇ许數(shù)慕嵌葧?huì)影響剪切面之間的摩擦力，進(jìn)而決定頂板是否徹底垮落。此外還需優(yōu)化爆破鉆孔的間距，避免爆破過(guò)程中破壞想要保留的完整巖石塊。

2.2.1 切頂高度分析

預(yù)裂切縫深度設(shè)計(jì)公式如下：

式中 ΔH1：頂板下沉量，m；ΔH2：底鼓量，m；K：碎脹系數(shù)，這里取1.4；

由于工作面煤層頂板為較為堅(jiān)硬的泥砂巖，在切頂后能夠保持良好的完整性。在這種情況下，上方的壓力能夠更好的傳遞到頂板，從而使巷道的頂板承擔(dān)更少的壓力，提高巷道的穩(wěn)定性。綜合上述種種原因的考慮，最終決定模擬7m、9m和12m的切頂高度，以此來(lái)確定最后合適切頂高度。

2.2.2 切頂角度分析

根據(jù)巖石的碎脹性可知，如果直接沿著巷壁垂直向上切頂，破碎的頂板巖石會(huì)擠壓巷道頂板，致使采空區(qū)頂部不能垮落，巷道頂板會(huì)承擔(dān)一部分壓力。這樣留下的巷道會(huì)發(fā)生大范圍變形，影響自身穩(wěn)定性。為了較少采空區(qū)頂板及巷道頂板間的摩擦力，需要斜著向上切落頂板，具體的斜切角度可以參照以下公式：

式中：L為直接頂懸臂梁長(zhǎng)度，取18～25m;LR為巷道寬度,取5m;hg采空區(qū)高度(取3.5m)

根據(jù)工作面的具體參數(shù)，代入上述公式，得出切頂?shù)慕嵌仍?0°～15°之間。

2.2.3 預(yù)裂爆破間距分析確定

切頂高度和切頂角度的分析已經(jīng)在上文詳細(xì)討論。結(jié)合上述的分析，現(xiàn)決定采用聚能爆破管及乳化炸藥進(jìn)行定向爆破。聚能爆破管的規(guī)格為φ48mm×1500mm。聚能爆破管內(nèi)放置規(guī)格為φ32mm×200mm的三級(jí)乳化炸藥。爆破孔間距設(shè)置為600mm。聚能管安裝于爆破孔內(nèi)，每孔放置5根聚能管，封孔長(zhǎng)度為2.25m。沿工作面回采方向，放置爆破聚能管進(jìn)行切縫。布置方式如圖2所示。

圖2 爆破孔布置圖

3 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)分析

經(jīng)過(guò)上述對(duì)切頂高度、切頂角度以及爆破孔間距的詳細(xì)討論，需要最終確定最佳的切頂施工參數(shù)。因此，決定采用數(shù)值模擬軟件，模擬分析實(shí)施各個(gè)切頂高度以及切頂角度后，留巷效果的質(zhì)量，選擇最合適的參數(shù)。物理模型的高度為46.2m，模寬度為210m，模型長(zhǎng)度為580m。并且在巷道上方施加近似巖層自重的176.4MPa載荷。固定模型后，進(jìn)行數(shù)值模擬。

1）切頂高度分析確定

模型建立后，賦予相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。應(yīng)力平衡后，分別對(duì)7m的切頂高度，9m的切頂高度，以及12m的切頂高度進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果如圖3。

圖3 不同切頂高度垂直應(yīng)力分布云圖

根據(jù)圖3的模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)切頂?shù)母叨仍O(shè)置為7m時(shí)，直接頂并沒(méi)有被貫穿，這種情況下巷道頂板依然會(huì)受力，不利于巷道穩(wěn)定。9m的切頂長(zhǎng)度完全貫穿了頂板，上覆巖層作用在采空區(qū)頂板上，這種情況下采空區(qū)頂板與巷道頂板間的擠壓力小。同時(shí)，巷道的變形量也小有利于保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。12m的切頂高度雖然同樣貫穿了頂板，但是直接頂垮落的高度較大，巷道幫部可能會(huì)受到直接頂回轉(zhuǎn)擠壓，留巷的質(zhì)量不能得到保證。結(jié)合上述分析，9m的切頂高度留巷效果最好。

2）切縫角度分析確定。

通過(guò)上述的計(jì)算分析及討論，最終決定分別采用10°的切頂角度和15°的切頂角度模擬頂板的垮落情況。得到如圖4的模擬結(jié)果。

圖4 不同切縫角度垂直應(yīng)力圖

根據(jù)圖4的切頂角度模擬結(jié)果圖可以看出，當(dāng)把切頂角度設(shè)置為10°時(shí)，采空區(qū)頂板和巷道頂板之間的擠壓力不強(qiáng)，但是巷道側(cè)幫附近出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。這樣的情況非常不利于巷道的后期維護(hù)。當(dāng)把切頂?shù)慕嵌仍O(shè)置為15°時(shí)，采空區(qū)頂板及巷道頂板間的摩擦力較小，并且巷道頂板的變形量不大。與此同時(shí)采空區(qū)頂板的變形較大，這樣巷道側(cè)幫就不會(huì)受到回轉(zhuǎn)擠壓力，后期的巷道穩(wěn)定性能夠得到保障。因此選取15°的切頂角度，留巷質(zhì)量更好。

4 方案設(shè)計(jì)及切頂效果分析

4.1 支護(hù)設(shè)改進(jìn)

在進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷方案前，還需要考慮原有的巷道支護(hù)方案是否能夠繼續(xù)維持巷道周圍圍巖的穩(wěn)定性，為了更好的保證切頂卸壓后，巷道維持較好的穩(wěn)定性，在原有的巷道支護(hù)方案的基礎(chǔ)上，增加恒阻大變形錨索來(lái)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。結(jié)合工程實(shí)際情況，提出如圖5的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

圖5 巷道支護(hù)斷面參數(shù)

18506運(yùn)輸巷斷面尺寸為4.5×2.8m，巷道采用錨桿+金屬網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)方式。原本的支護(hù)方案是在頂板布置錨桿。錨桿的規(guī)格為Φ22×2400mm。錨桿的材質(zhì)是左旋螺紋鋼。錨桿間排距860×1000mm。頂板的錨索規(guī)格為 Φ21.6mm×7300mm。錨索為鋼絞線錨索。錨索托盤的規(guī)格為285×285×16mm。在巷道的兩幫布置錨桿，間排距為800×1000mm。錨桿的規(guī)格為Φ20×2200mm。材質(zhì)與頂板錨桿相同。在原有的支護(hù)基礎(chǔ)上，在頂板布置恒阻大變形錨索。錨索的規(guī)格為Φ21.8×8300mm。錨索的恒阻器長(zhǎng)度為300mm，外徑72mm，恒阻值為33±2t，預(yù)緊力不小于28t。將恒阻大變形錨索隔空布置在原有錨索中間的位置，并且將恒阻大變形錨索的間排距設(shè)置為2000mm。

4.2 沿空留巷效果分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證沿空留巷的效果，將施工后的運(yùn)輸巷掘進(jìn)面后50m作為試驗(yàn)段，對(duì)試驗(yàn)段每隔10m處斷面安裝多點(diǎn)位移計(jì)，進(jìn)行為期15天的跟蹤監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)段所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理如圖6所示。

圖6 掘進(jìn)過(guò)程中巷道斷面圍巖變化

由圖6可知，巷道頂板下沉量隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增大，最后穩(wěn)定在400mm，兩幫移近量隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增大，最后穩(wěn)定在120 mm。跟蹤監(jiān)測(cè)巷道一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)巷道頂板穩(wěn)定，兩幫也沒(méi)有發(fā)生大變形。說(shuō)明在15天內(nèi)巷道頂板及兩幫一直處于不斷變形的階段，最終趨于穩(wěn)定。沿空留巷后，巷道兩幫及頂?shù)装宓淖冃尉刂圃谠试S范圍內(nèi)，能夠滿足巷道通風(fēng)及行人的要求。因此沿空留巷效果良好，在掘進(jìn)過(guò)程中巷道能正常安全的使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

礦區(qū)以往會(huì)留設(shè)大量煤柱，造成資源浪費(fèi)。為此，在18506工作面進(jìn)行切頂卸壓沿空留巷。為了保證留巷效果的質(zhì)量，在切頂前對(duì)巷道進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)。運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，確定了最佳的切頂高度和切頂角度。切頂卸壓沿空留巷后，進(jìn)行了后續(xù)的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟烤３衷谠试S范圍內(nèi)，說(shuō)明留巷效果良好。同時(shí)也為類似條件的煤礦實(shí)施沿空留巷提供了指導(dǎo)。