厚大堅硬頂板切頂卸壓護巷方法研究

許鑫濤

(晉能控股集團 晉圣公司億欣煤業,山西 晉城 048200)

厚大堅硬頂板條件煤層在回采過程中極易出現懸頂問題,造成本工作面在強礦壓作用下出現冒頂致災風險,工作面巷道變形嚴重[1-3]。大量生產實踐表明,對工作面頂板實施切頂卸壓是解決這類問題的主要手段[4-6],因此研究這類頂板條件下合理的切頂卸壓參數及方法[7-8],對于保護工作面巷道的穩定,實現工作面安全回采具有重要意義。以某礦厚大堅硬頂板綜采工作面為工程背景,從理論分析與數值模擬兩方面著手,研究了這類頂板條件下切頂卸壓護巷方法,以期為類似頂板條件礦山工作面巷道圍巖控制提供指導。

1 工程概況

某礦5301與5302工作面主采5號煤層,煤層平均厚度為3.8 m,傾角為2°～5°,埋深215 m,工作面走向長2 425 m,傾向長224 m,采用大采高一次采全高綜合機械化采煤工藝,工作面直接頂為K2灰巖,平均厚度為8.2 m,屬于典型的堅硬厚大頂板條件,工作面綜合柱狀圖如圖1所示。5301工作面位于5302工作面東側,工作面北側分別布置回風大巷、膠帶大巷與軌道大巷,兩工作面間留有16 m厚的保護煤柱,工作面布置情況如圖2所示。

圖1 工作面綜合柱狀圖

圖2 工作面布置圖

由于工作面直接頂為厚硬的灰巖層,根據礦山實測資料顯示,頂板初次垮落步距為47～68 m,周期垮落步距為18～28 m,垮落傾向性較差,易出現大范圍懸頂致災風險;同時受臨近工作面開采擾動影響,5302回風巷道在采動應力影響下巷道圍巖變形嚴重,雖然對巷道進行了多次維護,但變形并未得到有效控制,治理效果不理想。為有效保障工作面巷道的穩定性,避免懸頂風險,研究提出對堅硬厚大頂板實施切頂卸壓護巷方法,對實現工作面安全高效回采至關重要。

2 厚硬頂板破斷特性分析

針對厚硬頂板條件,隨回采工作面推進,采空區上方未垮落的厚硬頂板除了承受自重之外,還要承受覆巖施加的垂直荷載,導致頂板處于高強度承壓狀態,對下工作面回采巷道及保護煤柱穩定性都會產生高應力擾動影響。為此,研究厚硬頂板破斷特征,對于可靠護巷方法的提出具有重要指導意義。對于厚硬頂板,可以將采空區頂板看作是懸臂梁結構,懸頂部分承受的載荷將均勻作用在懸臂梁上,建立厚硬頂板破斷力學模型如圖3所示。

圖3 厚硬頂板破斷力學模型

工作面回采過后,采空區上方未垮落厚硬頂板除了承受覆巖施加載荷外,還承受覆巖斷裂部分施加的載荷F,計算表達式如下:

(1)

式中:γ為覆巖平均容重,N/m;H3為覆巖厚度,m;α為頂板跨落角,°.

根據力系疊加原理,厚硬頂板在某點x處的彎矩表達式如下:

(2)

式中:q為厚硬頂板受到上覆巖層的均布載荷,N·m.

彎矩M(x)在x=L3時達到最大,此時厚硬頂板最大彎矩表達式如下:

(3)

式中:L3為厚硬頂板極限垮落距,m.

當厚硬頂板所受拉應力超過其極限抗拉強度σmax時,頂板將發生垮落,此時極限垮落距計算表達式如下:

(4)

式中:σmax為頂板極限抗拉強度,MPa;H2為厚硬頂板厚度,m.

(5)

由公式(4)與(5)可以看出,厚硬頂板極限垮落步距及所承受的最大載荷值與頂板厚度及極限抗拉強度成正比。由于厚硬頂板極限抗拉強度與厚度較大,可導致極限垮落步距增加,使頂板能夠承受較大的覆巖載荷而不垮落,此時頂板承受高應力作用,如果應力得不到有效釋放,將向保護煤柱及臨近工作面巷道轉移,使煤柱有效承載能力降低,還將導致臨近工作面巷道圍巖失穩及嚴重變形,不利于工作面安全回采。為此,對厚硬頂板實施切頂卸壓,使厚硬頂板適時垮落,切斷頂板應力傳導路徑,以此保證煤柱及工作面巷道的穩定是非常必要的。

3 厚硬頂板切頂卸壓數值模擬分析

3.1 數值模型構建

對于厚硬頂板條件,由于其極限垮落步距大,會將高應力傳導至煤柱及臨近工作面回采巷道,不利于巷道穩定,據此提出對厚硬頂板實施切頂卸壓護巷方法。為進一步分析卸壓前后巷道應力及位移變化情況,以及獲得合理的切頂參數值,研究采用3DEC數值軟件對厚硬頂板切頂卸壓進行分析。所構建的數值模型尺寸為長×寬×高=150 m×35 m×50 m,模型底部及四周進行位移約束,上部施加載荷等效上覆巖層自重,巖體力學參數如表1所示。

表1 巖體力學參數

3.2 數值結果分析

1) 有無切頂條件分析。切頂前后垂直應力變化情況如圖4所示,可以看出,頂板未實施切頂卸壓時,高應力已經由厚硬頂板傳導至煤柱內部及巷道圍巖,并在煤柱內部形成了高應力集中區域,垂直應力峰值達17.5 MPa,臨近工作面巷道兩幫應力峰值達12.5 MPa,同時在近巷道煤柱頂板出現了較大范圍的高應力區,導致煤柱承載能力下降及巷道嚴重變形,見圖4(a);頂板實施切頂卸壓后,切頂對應力傳導起到了明顯的阻隔作用,煤柱內部應力集中程度有所降低,垂直應力峰值達12.5 MPa,臨近工作面巷道兩幫應力峰值達9.5 MPa,切頂的存在提高了煤柱的承載能力,降低了臨近工作面巷道所受應力,有利于巷道及煤柱的穩定,見圖4(b),切頂前后垂直位移變化情況如圖5所示。

圖4 切頂前后垂直應力分布云圖

圖5 切頂前后垂直位移分布云圖

由圖5可知,頂板未實施切頂卸壓時,采空區上方懸頂高度較大,導致垂直位移發展已經由采空區上方厚硬頂板傳導至煤柱內部,此時采空區側煤出現了明顯的下沉情況,垂直位移達455 mm,并且有繼續向臨界工作面巷道發展的趨勢,不利于煤柱及巷道的穩定,見圖5(a);頂板實施切頂卸壓后,采空區上方懸頂高度顯著減小,切頂對煤柱頂板下沉起到了明顯的限制作用,采空區側煤柱最大垂直位移達215 mm,臨近工作面巷道頂板沒有明顯的位移變化,見圖5(b).

綜合分析,對工作面采空區上方厚硬頂板實施切頂卸壓,可以切斷高應力傳導路線,使應力發展不會朝向煤柱及臨近工作面巷道,可以有效保證巷道及煤柱的穩定,起到良好的護巷作用。

2) 不同切頂角度分析。研究選取切頂角度分別為0°(與頂板垂直)、15°、25°進行模擬分析,給定切頂高度8 m,工作面回采后,不同切頂角度下煤柱內部垂直應力變化情況如圖6所示。可以看出,隨著與巷道距離的增加,煤柱所受應力呈現先增加后減小的特征,應力峰值出現在距巷道10 m的煤柱內部,應力峰值分別為13.2 MPa、12.5 MPa與13.7 MPa,即隨著切頂角度的增加,煤柱所受應力表現為先減小后增加,當切頂角度15°時,煤柱所受應力整體較小,由此確定合理切頂角度為15°.

圖6 不同切頂角度煤柱內垂直應力變化情況

3) 不同切頂高度分析。通過上述分析,確定合理切頂角度為15°,研究選取切頂高度分別6 m、8 m與10 m進行模擬分析,工作面回采后,不同切頂高度下煤柱內部垂直應力變化情況如圖7所示。

圖7 不同切頂高度煤柱內垂直應力變化情況

由圖7可知,當切頂高度為6 m時,煤柱內垂直應力明顯高于其余兩種切頂高度,應力峰值達13.2 MPa,該高度值不是最佳選擇;當切頂高度分別為8 m與10 m時,煤柱內垂直應力呈現交替變化特征,應力峰值分別為10.6 MPa與10.5 MPa,整體變化趨勢不明顯,說明當切頂高度達到一定數值后再繼續增加,并不能取得更好的切頂效果,綜合考慮切頂施工成本,確定合理切頂高度為8 m.

4 厚硬頂板切頂卸壓護巷方法

根據前述分析,通過對厚硬頂板實施切頂卸壓,可以使厚硬頂板適時垮落,切斷頂板應力傳導路徑,進而保障煤柱及臨近工作面巷道的穩定。為此,根據工作面實際工程條件,研究提出對5301運輸巷道實施深孔爆破切頂卸壓方法,卸壓鉆孔沿厚硬頂板采取傾斜向上平行布設方法,孔徑70 mm,相鄰兩孔之間的距離為5.5 m,鉆孔垂直高度8 m,基本穿透厚硬頂板,孔深8.3 m,與頂板垂直面夾角為15°,卸壓鉆孔布置方式如圖8所示。

圖8 卸壓鉆孔布置圖

爆破時采用的乳化炸藥每卷為1.2 kg,每孔裝4卷,為了充分釋放炸藥能量,提高爆破效果,炸藥不耦合裝藥系數為1.3,對炮孔實施裝藥時采取反向間隔方式,采取“電雷管+導爆索”起爆方式,孔口封泥長度不小于炮孔總長度的1/3,卸壓孔裝藥結構如圖9所示。

圖9 炮孔裝藥結構圖

5 實踐效果分析

為分析厚硬頂板切頂卸壓護巷效果,對5302回風巷道切頂卸壓前后圍巖變形情況進行了監測,監測結果如圖10所示。卸壓前,回風巷道變形顯著,穩定后頂板最大下沉量高達650 mm,底板底鼓量達202 mm,兩幫移近量達486 mm;卸壓后,巷道變形整體表現為緩慢增長并趨于穩定,頂板最大下沉量為312 mm,底鼓量為118 mm,兩幫移近量為195 mm.與卸壓前相比,頂板下沉量降低了52.0%,底板底鼓量降低了41.6%,兩幫移近量降低了59.8%,巷道變形得到了有效控制,通過對厚硬頂板實施切頂卸壓取得了良好的護巷效果。

圖10 巷道變形監測結果

6 結 語

1) 厚硬頂板極限垮落步距及最大載荷值與頂板厚度及極限抗拉強度成正比,在高應力擾動下,厚硬頂板的存在將導致高應力向煤柱及臨近工作面巷道轉移,不利于巷道穩定,必須采取措施。

2) 通過數值模擬分析,對厚硬頂板實施切頂卸壓可以切斷高應力傳導路線,有效降低煤柱內及臨近工作面巷道圍巖應力顯現程度,并確定合理的切頂角度與高度分別為15°與8 m.

3) 研究提出了“電雷管+導爆索”起爆的平行深孔爆破切頂卸壓護巷方法,通過現場實踐,臨近工作面巷道變形與卸壓前相比,頂板下沉量降低了52.0%,底鼓量降低了41.6%,兩幫移近量降低了59.8%,巷道變形得到了有效控制。