大埋深強采動礦井切頂卸壓技術(shù)研究

劉士法， 宋冠忠， 李少濤

(1.山東義能煤礦有限公司，山東 濟寧 272000；2.山東裕隆礦業(yè)有限公司，山東 曲阜 272000)

引 言

煤炭的深部化開采成為我國目前煤炭的主流趨勢，且開采技術(shù)的成熟造成了長工作面、大斷面巷道的產(chǎn)生，大埋深、強采動雙重擾動下巷道控制難度增加，切頂卸壓是針對高應(yīng)力巷道的一項有效技術(shù)，切頂卸壓不僅施工簡便、見效快，是實現(xiàn)煤礦安全、高效開采的一個重要方法[1-2]。

由于強采動效應(yīng)使得義能煤礦CG1303巷道頂板變形劇烈、難以維護，故針對此工程特性在義能煤礦CG1303巷道嘗試使用切頂卸壓技術(shù)進行管理，使用數(shù)值模擬FLAC對不同參數(shù)切頂卸壓方案進行比較，據(jù)此獲得切實可行的切頂卸壓方案[3-5]。

1 工程背景

義能煤礦生產(chǎn)能力核定為60萬t/a，現(xiàn)主采3#煤層，平均埋深576 m，由于采深大，強采動后CG1303巷道圍巖破碎且塑性區(qū)擴展較大，現(xiàn)有支護無法滿足正常生產(chǎn)需求，需多次補強支護或注漿，即增加了工程量浪費了財力、時間，還對安全、高效生產(chǎn)留下了隱患，故嘗試使用切頂卸壓技術(shù)在CG1303巷道中，降低巷道圍巖應(yīng)力，礦井位置見圖1。

對3#煤頂?shù)装暹M行鉆孔取樣后，測定巖石力學(xué)參數(shù)情況，結(jié)果見表1。

CG1303進風(fēng)順槽由于埋深較大、采動影響明顯，巷道壓力顯現(xiàn)明顯，巷道頂?shù)装逡平恳欢冗_1 230 mm，兩幫移近量達975 mm左右，嚴(yán)重影響了正常的行人、通風(fēng)等，故在CG1303進風(fēng)順槽嘗試使用切頂卸壓技術(shù)，降低巷道壓力、減少巷道變形量。

表1 3煤層頂?shù)装迩闆r一覽表

2 預(yù)裂切頂技術(shù)原理

相鄰采空區(qū)覆巖停止運動后，采空區(qū)自然填充，巷道上部巖層形成類似鉸鏈結(jié)構(gòu)的弧形三角塊，如第77頁圖2，連接在一起形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的巖塊B、采空區(qū)上覆下巖塊C還有未開采側(cè)穩(wěn)定巖塊A，稱為關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)控制巷道上部巖層穩(wěn)定性。巖塊B受未完成割裂的巖塊C的拉力，導(dǎo)致巷道上部巖體側(cè)向拉力過大，從而導(dǎo)致巷道穩(wěn)定性較差，故采取切頂卸壓技術(shù)可使巖塊B分割成整個關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)。

圖2 沿空留巷側(cè)基本頂側(cè)向斷裂結(jié)構(gòu)

3 預(yù)裂爆破參數(shù)

3.1 爆破載荷

炸藥爆破后形成的爆破載荷由式(1)、式(2)確定。

(1)

(2)

式中：P為沖擊波載荷，MPa；P0為炸藥瞬時載荷MPa；ρ、ρ0分別為巖石和炸藥的密度，kg/m3；CP為沖擊波速度，m/s；D為炸藥爆速，m/s；λ為膨脹絕熱指數(shù)，取λ≈3。

爆炸載荷經(jīng)不斷衰減后，形成應(yīng)力波，應(yīng)力波對爆炸孔附近。

3.2 巖石破壞

巖體破壞由巖石自身強度與外部應(yīng)力環(huán)境決定，切頂爆破瞬間產(chǎn)生的爆破載荷壓碎巖石，然后產(chǎn)生的應(yīng)力波不斷拉伸巖石直至破壞，巖石某處應(yīng)力強度見式(3)、式(4)。

(3)

(4)

根據(jù)Mises準(zhǔn)則：

σi≥σ0

，此為巖體破壞準(zhǔn)則，即外部載荷大于巖體自身強度時，巖體破壞受爆破壓裂產(chǎn)生的粉碎圈半徑見式(5)。

(5)

其中，A、B、α計算見式(6)～式(8)。

(6)

(7)

(8)

受應(yīng)力比拉伸破壞產(chǎn)生的裂隙圈半徑計算見式(9)。

(9)

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)指導(dǎo)，選用3號煤礦許用乳化炸藥，密度為1 120 kg/m3，爆速D=3 600 m/s，求得粉碎圈和裂隙圈半徑分別為0.23 m和0.84 m。

繪制爆破孔示意圖如圖3所示，封孔段長度9.9 m，封孔段用水沙袋(或者水炮泥)和炮泥封孔。

圖3 爆破鉆孔封孔結(jié)構(gòu)示意圖

4 工程實踐

在W1319進風(fēng)順槽實行切頂卸壓后，收集表面位移數(shù)據(jù)處理，繪制頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃吻€圖如圖4、圖5及第78頁圖6、圖7。

圖4 Ⅰ測面頂?shù)装遄冃螆D

圖5 Ⅱ測面頂?shù)装遄冃螆D

圖6 Ⅰ測面兩幫變形圖

圖7 Ⅱ測面兩幫變形圖

根據(jù)表2、表3可知，經(jīng)過預(yù)裂爆破卸壓后， W1319進風(fēng)順槽頂?shù)装謇塾嬕平繛?36 mm，最大變形速度為78 mm/d；頂板最下沉量最大達336 mm，最大變形速度為57 mm/d；累計最大底鼓量為116 mm，最大變形速度為22 mm/d。兩幫累計最大移近量為388 mm，最大變形速度為56 mm/d；煤柱幫累計最大移近量為284 mm/d，最大變形速度為47 mm/d；柔模墻幫累計最大移近量為104 mm，最大變形速度為16 mm/d。

表2 頂?shù)装遄冃吻闆r匯總表

表3 兩幫變形情況匯總表

W1319進風(fēng)順槽頂?shù)装遄冃瘟恐饕w現(xiàn)在頂板的下沉上，分析原因是巷道頂板為煤層和泥巖，巖石力學(xué)參數(shù)較低，松軟易變形，而底板為砂巖，巖石力學(xué)參數(shù)大，剛性大，抗變形能力強，再加上在W1319工作面的二次采動影響下頂?shù)装逍枰惺芨邞?yīng)力，致使頂板產(chǎn)生了大變形。兩幫變形量主要體現(xiàn)在煤柱幫的變形上。總之，雖然W1319進風(fēng)順槽發(fā)生了變形，但是變形量并不大，且該巷道隨采隨廢，變形在巷道服務(wù)期間的允許范圍內(nèi)，故切頂卸壓方案所具有合理性，可以有效減小巷道變形量，保證工程質(zhì)量。