預(yù)裂爆破切頂對(duì)底板破壞深度及礦壓影響規(guī)律

許延春，張二蒙，馬子民，趙 霖，李志欽，楊勝利

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

隨著簡(jiǎn)單地質(zhì)條件可采資源開采強(qiáng)度增加，難采資源安全回采是提高煤炭整體回收率、減少資源浪費(fèi)的必由之路[1，2]。就華北煤田而言，由于長(zhǎng)期開采，工作面逐漸轉(zhuǎn)向深部，來自底板奧陶系灰?guī)r承壓水的威脅也隨之增加[3，4]。在對(duì)其開采時(shí)，工作面易同時(shí)受到底板承壓水壓力及其采動(dòng)礦壓的影響[5]，形成底板水導(dǎo)通通道，具有極大安全隱患。因此研究承壓水上安全回采對(duì)提高煤炭資源回收率減少煤炭資源浪費(fèi)具有重大意義，符合現(xiàn)階段綠色開采要求。

承壓水上采煤一般采用帶壓開采、注漿加固，疏降強(qiáng)排[6]等方法。對(duì)大部分礦井而言，底板注漿加固是改善工作面底板力學(xué)性質(zhì)的有效手段，通過對(duì)底板進(jìn)行注漿加固，可明顯提高底板的阻、抗水能力和完整性[7]。近些年來，我國(guó)一些學(xué)者提出預(yù)裂爆破切頂來改善工作面礦山壓力，以期降低危險(xiǎn)性，提高資源回采率[8-16]。

為進(jìn)一步研究有底抽巷情況下切頂卸壓對(duì)底板破壞程度和礦山壓力的影響，以河南焦煤集團(tuán)九里山14141工作面作為工程背景，通過數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同方案下切頂對(duì)底板破裂深度的影響，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐分析不同條件下切頂?shù)V山壓力顯現(xiàn)規(guī)律。為焦作及全國(guó)其他具有類似煤與瓦斯突出且受底板水害嚴(yán)重威脅的礦井底板水害防治提供借鑒。

1 工程背景

1.1 工作面概況

九里山14141工作面位于14采區(qū)西翼下部，南鄰亮馬村斷層防隔水煤柱，北鄰已經(jīng)回采結(jié)束的14121工作面，東鄰14采區(qū)沉淀池保護(hù)煤柱，西鄰井田邊界防隔水煤柱。地面標(biāo)高+90.47～+93.56m，工作面標(biāo)高-181.98～-235.80m，平均走向長(zhǎng)度748m，傾向長(zhǎng)度111m。煤層平均傾角9.5°，工作面平均煤層厚度6.9m，開采厚度3.5m，工作面運(yùn)輸巷及切眼正下方施工有14141運(yùn)輸、切眼底抽巷，底抽巷與L8灰?guī)r含水層位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 14141工作面底板含水層與底抽巷剖面

頂板基巖厚度約158m。底板隔水層厚度約21.5m，直接充水含水層為L(zhǎng)8灰?guī)r含水層，厚度約7.5m，水壓約1.5MPa，經(jīng)計(jì)算其突水系數(shù)為0.07MPa/m，大于該地段臨界值0.06MPa/m；底板隔水層平均厚度約75m，間接充水含水層為L(zhǎng)2灰?guī)r含水層，水壓約2.5MPa，經(jīng)計(jì)算突水系數(shù)為0.03MPa/m。工作面采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面柱狀如圖2所示。

圖2 14141工作面綜合柱狀

1.2 切頂概況

為保證14141工作面安全生產(chǎn)，減輕工作面底板破壞程度和解決頂板來壓?jiǎn)栴}，對(duì)14141工作面開切眼及運(yùn)輸巷頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂。綜合分析地質(zhì)詳情，借鑒相鄰工作面及巷道爆破經(jīng)驗(yàn)，選擇爆破孔布置方式：

1)沿工作面開切眼傾向向下10m處與大槽中線平行，位于切眼架間，距離煤壁1m處布置一列爆破孔，爆破孔深度10m，傾角+90°，直徑50mm，孔間距1.5m，斷層前后5m不設(shè)爆破孔，共計(jì)48個(gè)。

2)沿運(yùn)輸巷走向，與巷道中線平行，距下幫1.1m，由內(nèi)向外布置1列爆破孔。爆破孔傾角90°，直徑50mm，孔間距1.8m。每?jī)蓚€(gè)爆破孔中間布置導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔深度12m，傾角+90°，直徑50mm，孔間距1.8m。回采之前，在工作面下安全孔向外30m范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)裂爆破；回采過程中，超前下安全孔25m完成預(yù)裂爆破，直至回采結(jié)束，共計(jì)416爆破孔。

2 預(yù)裂爆破底板破壞深度數(shù)值分析

2.1 計(jì)算方案

為研究開切眼和有底抽巷的運(yùn)輸巷切頂對(duì)底板破壞程度和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響，采用FLAC3D對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算，主要探究工作面開采過程中底板應(yīng)力傳遞規(guī)律、巖體位移形態(tài)和破壞機(jī)制。針對(duì)不同條件建立以下3種模擬方案：方案一，開切眼及運(yùn)輸巷頂板不切頂、無底抽巷；方案二，開切眼及運(yùn)輸巷頂板不切頂、有底抽巷；方案三，開切眼及運(yùn)輸巷頂板切頂、有底抽巷。

2.2 建立模型

基于FLAC3D建模原理，根據(jù)九里山14141工作面地質(zhì)條件和煤巖條件建立數(shù)值模型。14141工作面頂?shù)装鍘r體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 14141工作面頂?shù)装鍘r體物理力學(xué)參數(shù)

14141工作面煤層屬于近水平煤層，采用走向長(zhǎng)壁布置。為方便計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，用施加應(yīng)力的方法來代替上覆部分巖層，模型長(zhǎng)500m，寬500m，高182m。工作面開挖時(shí)，先開挖沿傾向170～220m工作面，再開挖沿傾向220～330m的工作面。整個(gè)模型共劃分為1250800個(gè)單元，1310778個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

煤層受采動(dòng)之前，巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。煤層在采動(dòng)之后形成采動(dòng)空間，導(dǎo)致采場(chǎng)周圍應(yīng)力狀態(tài)重新分布，并產(chǎn)生附加應(yīng)力，在應(yīng)力的產(chǎn)生到重新平衡過程中，底板隔水層出現(xiàn)變形破壞，對(duì)三種方案的塑性區(qū)分布及圍巖垂直應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比分析如下。

3.1 底抽巷對(duì)底板破壞程度的影響分析

為了研究底抽巷對(duì)底板破壞程度的影響，選擇方案一(不切頂、無底抽巷)和方案二(不切頂、有底抽巷)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1.1 塑性區(qū)分布規(guī)律

由圖3可知，在工作面開挖后，底板破壞主要是在煤壁附近的剪切破壞造成的，因此可以認(rèn)為集中應(yīng)力在煤壁處造成的剪切破壞帶即底板破壞深度。采空區(qū)底板巖層主要受拉應(yīng)力產(chǎn)生拉伸破壞，形成拉塑性破壞區(qū)，發(fā)生底鼓。即方案一數(shù)值模擬底板破壞深度為12.5m。

圖3 方案一工作面塑性區(qū)分布

由圖4可知，在不切頂情況下，有底抽巷工作面與無底抽巷工作面頂?shù)装逭w破壞形態(tài)大致類似。由于底抽巷周圍巖體在集中應(yīng)力作用下發(fā)生破壞形成巷道圍巖松動(dòng)圈，溝通底板剪切破壞帶，擴(kuò)大底板破壞深度。方案二數(shù)值模擬底板破壞深度為14.5m，較方案一增加16%。

圖4 方案二工作面塑性區(qū)分布及局部放大

對(duì)比方案一和方案二工作面塑性區(qū)分布情況可以得出，在不切頂情況下，有底抽巷工作面底板破壞深度大于無底抽巷工作面，說明由于底抽巷圍巖松動(dòng)圈的存在，溝通底板剪切破壞帶，使底板破壞深度加大。

3.1.2 圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

由圖5可知，煤層開采后圍巖出現(xiàn)不同程度的卸壓和應(yīng)力集中。在采空區(qū)上部、下部巖體出現(xiàn)卸壓，發(fā)生拉破壞；在煤壁前方出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大值一般位于工作面兩側(cè)煤壁上方，發(fā)生剪切破壞。應(yīng)力集中程度隨著深度的增加逐漸衰減，底板所受應(yīng)力明顯減小。在應(yīng)力傳遞過程中，若超過其途經(jīng)巖體的自身強(qiáng)度，則會(huì)造成途經(jīng)巖體的破壞。破壞巖體通過變形、位移等形式釋放能量，承載能力降低，其所受應(yīng)力繼續(xù)向遠(yuǎn)處傳遞，破壞區(qū)也也繼續(xù)向遠(yuǎn)處和深處發(fā)展，直到傳播的應(yīng)力低于巖體自身強(qiáng)度為止。

圖5 方案一工作面垂直應(yīng)力分布

由圖6可知，在不切頂情況下，有底抽巷工作面與無底抽巷工作面垂直應(yīng)力分布形態(tài)大致類似，底抽巷周圍形成一定程度上的應(yīng)力集中，從而使巷道周圍發(fā)生一定程度上的拉剪破壞，最終形成巷道圍巖松動(dòng)圈，擴(kuò)大底板破壞深度。

圖6 方案二工作面垂直應(yīng)力分布及局部放大

通過在底抽巷上方1m處布置應(yīng)力測(cè)線，每隔1m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，調(diào)取測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，對(duì)比方案一與方案二工作面開采后底抽巷周圍巖體應(yīng)力變化如圖7。由圖7可以看出，在工作面開采過后，煤壁內(nèi)側(cè)會(huì)形成應(yīng)力集中，采空區(qū)卸壓；而有底抽巷工作面開采時(shí)，底抽巷靠近煤壁一側(cè)巖體的應(yīng)力集中程度升高12.8%，而上方巖體則出現(xiàn)卸壓，產(chǎn)生拉應(yīng)力，造成拉破壞。

圖7 方案一、二底抽巷上方1m處測(cè)線測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值對(duì)比

由圖7可知，底抽巷位置(傾向326-330m)處于應(yīng)力集中區(qū)，不利于巷道的維護(hù)。

3.2 切頂對(duì)底板破壞程度的影響分析

為了研究工作面開切眼以及運(yùn)輸巷切頂對(duì)底板破壞程度的影響，選擇方案二(不切頂、有底抽巷)和方案三(切頂、有底抽巷)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2.1 塑性區(qū)分布規(guī)律

工作面塑性區(qū)分布如圖8所示，該方案在工作面開采后呈現(xiàn)與方案二相似的塑性區(qū)發(fā)育規(guī)律，即在煤壁附近主要發(fā)生剪切破壞，而在采空區(qū)底板淺部主要發(fā)生拉張破壞。方案三數(shù)值模擬底板破壞深度為14.5m。

圖8 方案三工作面塑性區(qū)分布及局部放大

但對(duì)比圖8和圖4可以看出其呈現(xiàn)出：①塑性區(qū)進(jìn)入煤壁的距離減小，可以認(rèn)為工作面切頂起到卸壓效果，使煤壁內(nèi)部應(yīng)力集中程度降低，隨之煤壁內(nèi)部發(fā)生塑性破壞的范圍比不切頂工作面小，從而降低了底板破壞影響范圍。②底抽巷圍巖松動(dòng)圈范圍減小，同樣可以認(rèn)為工作面切頂起到卸壓效果，使底抽巷周圍巖體應(yīng)力集中程度降低，從而降低了底抽巷圍巖松動(dòng)圈范圍。③由于計(jì)算精度的問題，底板破壞深度沒有明顯降低，但是破壞程度降低。

3.2.2 圍巖垂直應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

根據(jù)圖9工作面垂直應(yīng)力分布圖可以得出，該方案在工作面開采后呈現(xiàn)與方案二相似的垂直應(yīng)力分布規(guī)律，即在煤壁內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中，而在采空區(qū)上部、下部出現(xiàn)卸壓，形成應(yīng)力釋放。

圖9 方案三工作面垂直應(yīng)力分布

對(duì)比圖9和圖6可知，底抽巷附近垂直應(yīng)力分布狀態(tài)大致呈現(xiàn)出由靠近煤壁一側(cè)到靠近采空區(qū)一側(cè)逐漸遞減的趨勢(shì)，其中在底抽巷正上方出現(xiàn)卸壓，形成應(yīng)力釋放。

通過在底抽巷上方1m處布置一條應(yīng)力測(cè)線，每隔1m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，調(diào)取測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值，對(duì)比方案三與方案二工作面開采后底抽巷周圍巖體應(yīng)力變化，如圖10所示。由圖10可知，切頂后的工作面的垂直應(yīng)力分布規(guī)律：①在煤壁內(nèi)側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)峰值點(diǎn)進(jìn)入煤壁的距離減小，應(yīng)力影響范圍減小，這與切頂后煤壁內(nèi)側(cè)塑性區(qū)范圍縮小的現(xiàn)象是一致的。②在煤壁內(nèi)側(cè)應(yīng)的力峰值降低，應(yīng)力集中程度降低，切頂后的應(yīng)力峰值是比不切頂情況下低6.8%。綜合分析表明，切頂可以在一定程度上降低底板破壞程度。

圖10 方案二、三底抽巷上方1m處測(cè)線測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值對(duì)比

4 切頂卸壓底抽巷工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

4.1 觀測(cè)方法

使用HY60L系列礦用本安型藍(lán)牙壓力計(jì)，KT217-S3礦用本安型手機(jī)適用于綜采或單體工作面支架或支柱的工作阻力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。在14141工作面皮帶巷距煤壁70m處垂直煤幫依次鉆取三組水平鉆孔，鉆孔間距為20m，每個(gè)鉆孔深度15m。鉆孔布置如圖11所示。

圖11 礦壓觀測(cè)孔布置(m)

4.2 觀測(cè)結(jié)果分析

4.2.1 基本頂初次來壓

14141工作面推進(jìn)到19-27m時(shí)，工作面頂板下移速度出現(xiàn)峰值，支架阻力和活柱下縮量出現(xiàn)增大現(xiàn)象，這是由基本頂斷裂下沉造成，是基本頂初次垮落預(yù)兆。支架阻力曲線如圖12所示。

圖12 基本頂初次來壓支架阻力

從圖12可知，在工作面推進(jìn)24m時(shí)，6#測(cè)點(diǎn)支架阻力開始上升，推進(jìn)至30.5m，支架阻力到達(dá)峰值，但并沒有開啟安全閥；3#測(cè)點(diǎn)支架阻力在工作面推進(jìn)到27m時(shí)達(dá)到峰值，在29.5m后開始減小，未超過安全閥開啟值；1#測(cè)點(diǎn)支架阻力也在工作面推進(jìn)到27m時(shí)達(dá)到峰值，未超過安全閥開啟值。

14141工作面煤層屬于近水平煤層，但仍是有一定角度的，所以基本頂初次來壓具有分區(qū)段現(xiàn)象，即工作面上部來壓大于下部且超前下部大約3m，且工作面上部來壓持續(xù)時(shí)間較下部長(zhǎng)，綜合可知工作面初次來壓步距為22～27m。

4.2.2 基本頂周期來壓

觀測(cè)初次來壓之后支架阻力升高的區(qū)域，支架阻力降低至恢復(fù)穩(wěn)定后到下一次升高的距離即為周期來壓的步距，如圖13所示。

圖13 周期來壓支架阻力

工作面下部支架較工作面中部支架，支架最大壓力減小657.5kN，降低了10.47%；平均壓力減小266.7kN，降低了8.7%；較工作面上部支架最大壓力減小467.2kN，降低了7.4%；平均壓力減小919kN，降低了30.0%。根據(jù)最大工作阻力數(shù)據(jù)，工作面中部支架阻力較大，上部次之，下部最小，出現(xiàn)這種情況是與工作面中部頂板存在小的斷層構(gòu)造和初支撐力不足有關(guān)，而支架平均工作阻力則是同理論預(yù)測(cè)的下部最小，中部次之，上部最大相同。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，周期來壓期間煤壁片幫情況出現(xiàn)次數(shù)極少，而且片幫范圍均很小。支架安全閥開啟次數(shù)少，支架平均工作阻力為16.33MPa，約為支架額定工作阻力35MPa的50.5%，支架最大工作阻力為33.95MPa，約為支架額定工作阻力35MPa的97%，雖然較為接近支架的額定工作阻力，但是通過數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)判斷，最大工作阻力只是瞬時(shí)壓力，發(fā)生次數(shù)極少，且持續(xù)時(shí)間極短，不能完全說明支架受力加大。以上數(shù)據(jù)可以說明工作面正常推進(jìn)和頂板來壓時(shí)，額定工作阻力還有比較大的剩余，支架能滿足支撐頂板的要求。

由地質(zhì)資料可知14121和14141工作面為相鄰工作面，兩個(gè)工作面所采煤層賦存條件和開采技術(shù)條件相同，14121工作面沒有較大斷層，也沒有采取預(yù)裂爆破切頂，其工作面初次來壓步距48m，周期來壓步距18～21m，來壓期間支架工作阻力高達(dá)6500kN，部分支架有液壓閥開啟現(xiàn)象。采取預(yù)裂爆破切頂?shù)?4141工作面初次來壓步距22～27m，周期來壓步距10～15m，來壓期間支架最大工作阻力5300kN，來壓并不明顯。因此，可推斷14141工作面采取預(yù)裂爆破切頂有效減小工作面來壓步距，降低工作面來壓強(qiáng)度。

實(shí)施預(yù)裂爆破技術(shù)，能夠有效減小工作面初次來壓和周期來壓步距。對(duì)14141工作面開切眼和運(yùn)輸巷實(shí)施深孔預(yù)裂爆破，開切眼和運(yùn)輸巷頂部巖體產(chǎn)生大量裂隙，實(shí)現(xiàn)頂板預(yù)裂的目的，能夠有效降低工作面老頂初次來壓強(qiáng)度，減小工作面生產(chǎn)的危險(xiǎn)性和礦山壓力對(duì)綜采設(shè)備、設(shè)施的破壞。基本頂在初次來壓期間，來壓強(qiáng)度小，持續(xù)時(shí)間短，沒有發(fā)生采空區(qū)瓦斯集中涌出和瓦斯超限現(xiàn)象。周期來壓強(qiáng)度不明顯，來壓步距平均只有11m左右，甚至有些區(qū)段監(jiān)測(cè)不到來壓。

5 結(jié) 論

1)未經(jīng)預(yù)裂爆破切頂?shù)挠械壮橄镞\(yùn)輸巷底板破裂深度相較于無底抽巷巷道，其底板破裂深度為14.5m，增加16%，其底抽巷圍巖松動(dòng)圈易與底板剪切破壞帶溝通，導(dǎo)致底板破壞深度增加。

2)預(yù)裂爆破切頂對(duì)底板破壞深度影響較小，該技術(shù)主要通過降低巷道底板破壞程度，減小底抽巷圍巖松動(dòng)圈范圍從而降低底板突水危險(xiǎn)性。

3)對(duì)工作面開切眼和運(yùn)輸巷預(yù)裂爆破切頂，可以有效切斷礦壓傳遞途徑，減少采面初次來壓和周期來壓步距，減少煤壁向底板傳遞的壓力，從而減少底板破裂深度。