厚硬頂板工作面靜態破碎切頂卸壓技術研究

劉源濤

(國家能源集團神東煤炭公司 大柳塔煤礦,陜西 神木 719315)

在煤礦井工開采中,頂板問題的發生對煤礦安全生產帶來了極大的挑戰,尤其是當工作面上覆巖層中存在厚硬頂板,其具有的高強度、大厚度、完整性強的特點直接導致了工作面超前動壓影響范圍增大、應力傳遞效應加劇、礦壓顯現尤為強烈等問題,因此,針對厚硬頂板工作面通常采用切頂卸壓技術,在頂板巖層中預制弱面,以通過破壞頂板巖層的連續性及完整性,達到切斷應力傳遞路徑的目的。

靜態破碎切頂卸壓作為無聲、無粉塵、無震動的新興技術,其切頂機理是通過破碎劑與水反應產生體積膨脹,進而形成拉應力作用在孔壁巖層上,利用巖石抗拉強度較低的特點,產生拉伸破壞,從而達到切頂卸壓的目的。在針對靜態破碎的研究中,郝明等[1]通過數值模擬方法研究不同切頂參數對靜態破碎效果的影響,認為自由面較多時可增加致裂效果;李團結等[2]提出雙孔膨脹爆破法,并利用微震監測手段得出該方法可對巖體中心造成較大的集中破壞;陳立峰等[3]針對混凝土靜態破碎實驗,通過裂隙長度的觀測,明示了其裂縫擴展規律。

綜合分析,本文以某礦厚硬頂板工作面末采階段的撤架通道難以維護問題為研究背景,針對靜態破碎切頂機理及關鍵參數進行定量研究,以有效改善厚硬頂板工作面的應力環境,提高撤架通道圍巖穩定性。

1 工程背景

某礦52507工作面主采52煤層,煤層厚度6.8～7.62 m,平均厚度7.3 m,煤層傾角1°～3°,平均傾角2°,工作面埋深524 m,全部垮落法處理頂板,地質構造程度屬簡單類型。相鄰工作面均為采空區,屬于孤島工作面;工作面走向長度2 315 m,傾向長度278 m,布置有回風巷、運輸巷、開切眼共3條回采巷道,均為矩形斷面,采用錨桿索聯合支護方式,其中切眼巷寬9.8 m,巷高5.1 m,斷面積49.98 m2.工作面布置平面圖如圖1所示。

圖1 52507工作面布置平面圖

工作面上覆巖層為典型的厚煤層堅硬頂板,其頂板巖層主要分布有泥巖、粉砂巖、細砂巖等。其中偽頂為0.28 m的泥巖,整體強度偏低,節理裂隙少量發育;直接頂為4.15 m的粉砂巖,整體強度中等,致密,節理裂隙不發育;基本頂為11.31 m的細砂巖,致密且性脆,完整性較好,厚度較大,整體強度偏高。其頂底板柱狀圖如圖2所示。

圖2 工作面頂底板柱狀圖

52507工作面撤架通道布置于停采線處,距離輔運大巷60 m,在采區系統形成時即掘進完成,根據臨近工作面開采經驗,當工作面回采至臨近撤架通道時,由于厚硬頂板的連續性及完整性較好,成為加劇超前支承壓力傳遞的路徑,進而導致輔運大巷應力增高,因此,本文提出采用靜態破碎劑切頂卸壓技術,通過破壞厚硬巖層連續性的方法來切斷超前支承壓力的傳遞,以降低工作面動壓對采區大巷的影響,有效減少巷道圍巖失穩問題的發生。

2 靜態破碎劑破巖機理分析

2.1 化學反應機理

靜態破碎劑通常以64%～81%的氧化鈣為主要成分,伴有少量有機物和無機鹽化合物,加之高溫,研磨而成的粉末狀固體。在工程使用中,通常以一定水灰比攪拌均勻,其實質為物質之間的成分轉換過程,即在一個封閉的空間中,水分子與氧化鈣分子充分反應,進入氧化鈣分子內部從而生成氫氧化鈣固相產物,而由于水化反應的速度通常大于氫氧化鈣產物的轉移速度,從瞬態來看,必然存在體積動態膨脹效果,而處于約束狀態的固相產物膨脹能將轉化為拉應力作用在封閉空間體內[4]。其膨脹示意圖如圖3所示。

圖3 膨脹反應示意

化學反應式如下:

CaO+H2OCa(OH)2+64.9 kJ/mol

根據上式可知,分子間的反應過程實際為放熱過程,水、氧化鈣及氫氧化鈣的摩爾體積和比重見表1.

表1 反應物質參數

膨脹壓力的大小與生成物的含量有直接關系,但并非線性增加狀態,即當氧化鈣與水反應后,其本身具有一定的孔隙,生成物將先充滿孔隙,后產生膨脹能,因此,適當降低破碎劑孔隙率可提高膨脹壓力。

2.2 巖體破碎機理

在靜態破碎技術中,其關鍵在于破碎空間的密封性,即約束條件是否穩定,因此,本文在膨脹作用機理研究中作如下假設:

1) 按平面應變問題處理;

2) 將破碎孔空間視為完全密封且各向均勻同性的約束介質;

3) 約束介質為無限大的彈性體。

根據上述分析,建立如圖4所示多孔破碎力學模型,孔間距為l,破碎孔模型半徑分別為r1、r2,邊界分別受膨脹壓力q1、q2,若在距破碎孔l/2處任取一單元體A,A受疊加作用下的徑向拉伸應力σr1、σr2,切向拉伸應力σθ1、σθ2,則其徑向和切向拉伸應力可由式(1)計算[5]:

圖4 多孔膨脹破碎機理力學模型

(1)

則A點總應力為:

(2)

求倒數得:

(3)

若式3取極值點0,則:

(4)

在現場實際應用中,兩孔間的破碎參數基本一致,可近似認為r=r1=r2、q=q1=q2,則將極值點和邊界點代入式(2)、式(3)、式(4)可得應力為:

(5)

根據第三強度理論,孔壁巖體出現破碎需滿足:

σmin≥σt

(6)

式中:σt為巖體抗拉強度。

根據式(5)可知σmin為:

(7)

則多孔膨脹條件下的介質破碎條件為:

(8)

根據上述分析可知,由于破碎巖體受膨脹壓力產生拉伸破壞,因此,當拉伸應力大于其破碎巖體的抗拉強度時,巖體即發生破壞,并且當孔間距為等距布置時,介質破碎程度在疊加作用下會有所增加。

3 靜態破碎切頂卸壓方案及模擬驗證

3.1 切頂卸壓方案

1) 切頂高度及位置。根據關鍵層理論可知,在工作面上覆巖層中,存在一層或多層強度較高的關鍵層,其對周圍巖層的運移起著關鍵控制作用,并且通常作為超前支承壓力的傳力結構作用在工作面前方煤巖體內,因此,切頂是否達到卸壓效果與關鍵層的賦存狀態有直接關系。根據組合梁理論,關鍵層的判別可由式(9)、式(10)計算:

(9)

(10)

式中:(qi)1為第i層巖層對第1層巖層的載荷;E1、Ei為彈性模量,GPa;h1、hi為巖層厚度,m;γ1和γi為巖層容重,kN/m3;Lj為破斷步距,m;σtj為抗拉強度,MPa.

將52507工作面頂板巖層相關參數代入式(9)、式(10)可得基本頂細砂巖為第一層關鍵層,因此,確定切頂高度為23.7 m.

切頂位置的選擇決定了頂板懸臂結構的長短,也直接影響切頂處巷道圍巖應力環境,因此,綜合考慮超前動壓影響范圍,確定切頂位置為撤架通道內煤柱幫肩角處進行靜態破碎切頂。

2) 切頂角度。根據砌體梁理論可知,在切頂后,上覆巖層沿切縫線兩端形成巖塊A、B,發生垮落的判據為巖塊A、B產生相對位移,但為了防止切頂后撤架通道內頂板變形量過大,選擇仰角75°朝向采空區打設破碎孔,即通過巖塊A與關鍵塊B在切縫處形成相互鉸接的狀態,既達到了破壞傳力結構的目的,也在一定程度上預防了頂板突然破斷對支架形成的沖擊壓力。

3) 破碎孔間距。根據爆破圍巖分區理論[6],按照孔壁巖層的破壞程度可分為壓碎區、裂隙區和震動區,而靜態破碎劑是以體積膨脹能作為破碎壓力的動態增長過程,因此,基于靜態破碎條件下的圍巖破壞區可分為壓碎區與裂隙區,而孔壁巖層產生裂隙即可達到破壞巖層連續性的目的,由此得靜態破碎條件下裂隙區半徑為:

(11)

式中:σcd為抗壓強度,MPa;σtd為抗拉強度,MPa;P為膨脹壓力,MPa;l為液孔比;r為鉆孔半徑,m.

將靜態破碎劑相關參數代入式(11)可得單孔的裂隙區半徑為0.51 m,取整后確定鉆孔間距為1 m.

根據上述分析可得,靜態破碎切頂卸壓方案為:在工作面距離撤架通道100 m處時,沿撤架通道巷幫肩角處,以間距1 m布置切頂鉆孔,鉆孔角度為仰角75°朝向采區大巷方向打設,切頂高度15.74 m,鉆孔深度16.3 m.鉆孔布置示意圖如圖5所示。

圖5 鉆孔布置示意

3.2 數值模擬驗證

1) 模型建立及參數。數值計算模型長200 m、寬100 m、高100 m,其中含頂板巖層70 m、煤層7.3 m、底板巖層23.7 m,頂部施加地應力11.3 MPa,底板固定邊界,兩側限制水平位移,其各巖層模擬參數取值見表2.

表2 巖層模擬參數取值

2) 數值模擬結果分析。根據圖6、圖7可知,靜態破碎切頂前垂直應力峰值為29.34 MPa,位于煤壁前方16.37 m處,切頂后應力集中區域向巖層深部轉移,輔運大巷處應力由切頂前的20.13 MPa降至切頂后的13.4 MPa,同時超前動壓影響范圍由68.45 m縮小至58.1 m,由此表明靜態破碎切頂方案可有效減小超前動壓影響范圍。

圖6 切頂卸壓前垂直應力分布云圖

圖7 切頂卸壓后垂直應力分布云圖

4 現場應用效果分析

為針對切頂卸壓的現場應用效果進行定量分析,選擇在輔運大巷(52507工作面段)內布置2個測點,每天監測并記錄,監測內容包括頂底板及兩幫位移量,并繪制如圖8所示的圍巖變形量曲線圖。

圖8 圍巖變形量曲線

根據圖8可知,在切頂前,輔運大巷圍巖變形量曲線斜率呈大幅上升狀態,其中頂底板移近量最大為341 mm,增幅為9.47 mm/d,兩幫移近量最大為151 mm,增幅為4.19 mm/d;切頂后,輔運大巷圍巖變形量曲線斜率趨于穩定,其中頂底板移近量最大為377 mm,增幅為0.81 mm/d,兩幫移近量最大為187 mm,增幅為0.86 mm/d.由此可知,在切頂作用下,輔運大巷圍巖變形量增幅較之切頂前大幅降低,巷道圍巖失穩現象得以解決。

5 結 語

1) 根據靜態破碎劑化學反應過程,認為膨脹壓力是由分子間組分轉換形成的膨脹勢能而來的,并建立了多孔破碎下的膨脹破碎機理力學模型,理論得出了基于多孔疊加作用下的介質破碎條件為膨脹拉伸壓力大于巖體抗拉強度時,巖體產生裂隙;

2) 根據理論分析,認為厚硬巖層細砂巖是加劇應力傳遞的根本原因,因此確定切頂高度為15.74 m,鉆孔仰角為75°;

3) 基于圍巖分區理論,認為靜態破碎條件下的圍巖破壞分區可分為壓碎區和裂隙區兩種,且得出其裂隙區半徑計算公式,綜合確定鉆孔間距為1 m;

4) 通過數值計算得出切頂卸壓可使得應力集中區域向巖層深部轉移,破壞應力傳遞路徑,進而縮小超前動壓影響范圍,改善輔運大巷圍巖應力環境;

5) 通過圍巖變形量監測分析得出,切頂后輔運大巷的圍巖日變形量較之切頂前大幅降低,且圍巖變形曲線整體呈急-緩的趨勢,最終趨于穩定。