康 陽

(山西高河能源有限公司，山西 長治 046000)

大采高頂板預(yù)裂技術(shù)研究

康 陽

(山西高河能源有限公司，山西 長治 046000)

根據(jù)大采高工作面特點(diǎn),提出了頂板預(yù)裂技術(shù),減弱了頂板強(qiáng)度,合理控制來壓步距,為大采高開采技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)提升大采高開采技術(shù)水準(zhǔn),保持礦區(qū)煤炭產(chǎn)量持續(xù)增長具有重要意義。

大采高;頂板預(yù)裂;爆破;檢測(cè)

我國是煤炭大國,煤炭被譽(yù)為我國的經(jīng)濟(jì)和工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力,同時(shí),煤礦開采過程中的安全問題也是我國同行專家所關(guān)注的問題之一[1-3]。確定經(jīng)濟(jì)合理的開采工藝以及使用高效的施工工藝,對(duì)于煤礦來說具有重大意義[4-6]。

文章針對(duì)我國部分大采高工作面推進(jìn)過程中頂板堅(jiān)硬,整體性強(qiáng),來壓步距大等特點(diǎn),根據(jù)實(shí)際情況,提出強(qiáng)制放頂工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究,開展對(duì)大采高綜采工作面強(qiáng)制放頂施工機(jī)具、放炮方案、放頂工藝等整個(gè)系統(tǒng)研究,研究成果可指導(dǎo)煤礦厚煤層安全高效開采,進(jìn)一步提高工作面安全管理質(zhì)量具有重要意義。

1 工作面巖層力學(xué)特性及礦壓理論分析

1.1 工作面頂板力學(xué)特性

大采高煤礦主要集中在我國西部地區(qū),以內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗薛家灣鎮(zhèn)孫家豪煤礦為例。該礦直接頂單軸抗壓強(qiáng)度平均18.57 MPa,強(qiáng)度較大,老頂巖性以細(xì)砂巖為主,厚度和強(qiáng)度均較大,總厚11.23 m,分為3、4、5、6、7共五層,強(qiáng)度較大,尤其是第4層、第5層。大量實(shí)踐表明,大采高綜采工作面覆巖層變形特點(diǎn)、運(yùn)移規(guī)律以及破壞特征與薄及中厚煤層全部垮落法長壁工作面基本相似,冒落帶發(fā)育高度與機(jī)采高度有密切聯(lián)系,成正相關(guān)關(guān)系。由其力學(xué)參數(shù)可知:煤層上方直接頂比較薄,老頂則為中厚層狀的砂巖,當(dāng)采高增加時(shí),垮落的直接頂巖石往往不能填滿采空區(qū),導(dǎo)致堅(jiān)硬頂板空區(qū)面積較大,阻止“砌體梁”的形成,當(dāng)破斷時(shí)容易對(duì)下方工作面形成沖擊載荷,引起煤層內(nèi)積聚大量的應(yīng)力,容易引起應(yīng)力集中,從而造成強(qiáng)烈的周期來壓。通過對(duì)巖層的力學(xué)和厚度進(jìn)行計(jì)算,可得到上覆巖層的關(guān)鍵層位置,其中關(guān)鍵層為第2和12層,第2層為亞關(guān)鍵層,同時(shí)也是煤層的老頂巖層,第12層因強(qiáng)度和厚度均較大,在計(jì)算過程中將其定為主關(guān)鍵層。正?；夭蛇^程中,第1層(直接頂,砂質(zhì)泥巖)、第2層(老頂,粒砂巖)對(duì)回采有直接影響。掌握頂板的基本力學(xué)參數(shù),是對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)措施的關(guān)鍵。

1.2 大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究

1.2.1直接頂?shù)某醮慰迓?/p>

直接頂?shù)钠露问窃诿簩娱_挖后首先顯現(xiàn)的頂板活動(dòng)現(xiàn)象,標(biāo)志是:當(dāng)直接頂有1 m～1.5 m的巖層發(fā)生垮落時(shí),同時(shí)超過整個(gè)工作面的一半范圍的頂板發(fā)生大面積垮落,這與巖層的本身性質(zhì)有直接關(guān)系,主要受強(qiáng)度、厚度、弱面發(fā)育程度等影響。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果,目前計(jì)算方式以固支梁垮落極限抗拉模式進(jìn)行分析,計(jì)算方法如下:

(1)

式中：R為直接頂?shù)目估瓘?qiáng)度，MPa;h為直接頂厚度，m;q為直接頂承受的載荷，MPa。

q取直接頂自身的重量,為:q=γh=2.548E3×9.8×2.94=73.41 kPa,R取直接頂?shù)目估瓘?qiáng)度3.13 MPa,帶入上式,Llt=27.15 m。也就是說工作面回采過程中直接頂能夠?qū)崿F(xiàn)自穩(wěn)的垮落距離大約為27.15 m,同時(shí),根據(jù)實(shí)際情況,考慮到地質(zhì)構(gòu)造以及支架支撐效果等因素的影響,上述計(jì)算數(shù)值還要乘以20%的變化量,可得直接頂垮落范圍在22 m～33 m之間。

1.2.2大采高工作面回采過程中老頂周期來壓計(jì)算

老頂來壓步距對(duì)回采工作面的安全生產(chǎn)有重要影響,影響著來壓預(yù)測(cè)、巖層移動(dòng)規(guī)律的掌握、頂板的控制等。本文從梁式斷裂和板斷裂力學(xué)兩種模型對(duì)大采高工作面老頂周期來壓進(jìn)行計(jì)算。

1)梁式斷裂極限跨距。根據(jù)梁的力學(xué)相關(guān)知識(shí):當(dāng)σmax=Rt,正應(yīng)力達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度極限,材料失穩(wěn)破斷,其極限跨距公式為:

(2)

式中:q為直接頂承受的載荷,kPa;Rt為老頂巖層的抗拉強(qiáng)度,MPa;h為老頂厚度;m。

根據(jù)巖層的力學(xué)性質(zhì)及式(2)得到老頂初次來壓步距為39 m左右。

2)板斷裂極限跨距。根據(jù)彈性力學(xué)理論相關(guān)知識(shí),將頂板看做為平面問題,計(jì)算得到工作面頂板斷裂步距公式為:

(3)

式中：q為直接頂承受的載荷，kPa;μ，λ均為系數(shù)常量，h為頂板厚度，m;σs為應(yīng)力強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)σs取5.7 MPa、q取952.57 MPa、泊松比取0.2,采空區(qū)幾何形狀可得到老頂斷裂步距為40.3 m。

綜上可知,兩種方法計(jì)算得到老頂初次來壓步距均為40 m左右,利用20%的偏差原理,可計(jì)算得到老頂來壓步距在32 m～48 m之間。

2 頂板預(yù)裂技術(shù)及現(xiàn)場檢測(cè)

2.1 大采高頂板預(yù)裂技術(shù)研究

頂板預(yù)裂技術(shù)的目的就是為了改變堅(jiān)硬頂板的物理力學(xué)性質(zhì),使其節(jié)理、裂隙在人為因素的控制下發(fā)生改變,使得頂板懸露部分的面積得以減小,頂板來壓得到有效控制。

2.1.1注水弱化堅(jiān)硬頂板

1)頂板高壓注水。目前,該技術(shù)主要在波蘭、澳大利亞等國發(fā)展較快,其研究尚處于試驗(yàn)階段。其原理為:首先對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行高壓水壓裂處理,目的是使巖層內(nèi)的原始裂隙增加和擴(kuò)展,在水力的、機(jī)械的、物理和化學(xué)的作用下,加上高壓水在巖體中會(huì)形成壓力坡降的作用下,高壓水順著巖層的裂隙、節(jié)理、層理及其他弱面發(fā)生滲流,改變堅(jiān)硬巖層的本身性質(zhì),主要是力學(xué)特性發(fā)生改變,引起注水巖層內(nèi)應(yīng)力重新分布,同時(shí)巖層在水的作用下發(fā)生塑化作用。

2)頂板靜壓注水。頂板靜壓注水從改變頂板巖層的含水率方向出發(fā),注水后弱化堅(jiān)硬頂板強(qiáng)度,達(dá)到減小來壓步距、避免頂板來壓過于強(qiáng)烈發(fā)生沖擊危險(xiǎn)等目的。首先要掌握研究巖層的吸水特性,較強(qiáng)的吸水性會(huì)在注水后大大降低巖層的強(qiáng)度,弱化程度明顯才可使用本方法,否則不能應(yīng)用。

根據(jù)對(duì)巖層的力學(xué)特點(diǎn)可知,研究礦井的致密砂巖可采用靜壓注水的方式進(jìn)行處理,但是,由于高壓注水壓裂與注水軟化存在周期較長等弱點(diǎn),大大影響實(shí)際工作面的生產(chǎn)效率,一般不宜選擇。

2.1.2爆破弱化堅(jiān)硬頂板

爆破弱化是用爆破的方法對(duì)堅(jiān)硬頂板產(chǎn)生震動(dòng)作用,從而引起原生裂紋的擴(kuò)展、誘發(fā)新的裂隙產(chǎn)生,使冒落的頂板形成矸石墊層。目前爆破弱化的方法有以下幾種:

1)循環(huán)式淺孔放頂:冒落的頂板跨落后在采空區(qū)成為矸石墊層,破壞頂板的完整性,使原可能因冒落而產(chǎn)生的沖擊得到緩和。2)步距式深孔爆破:將完整的頂板切斷,從而避免了頂板大面積的冒落。3)超前深孔預(yù)裂爆破:主要針對(duì)堅(jiān)硬頂板,爆破后巖層的完整性被破壞,冒落面積得到有效控制。4)地面深孔放頂:以地面實(shí)施爆破為主,爆破地點(diǎn)位于采空區(qū)后方,將頂板切斷,控制冒落面積,降低發(fā)生沖擊的可能。

3 大采高頂板預(yù)裂技術(shù)實(shí)施

根據(jù)上述分析可知,本文所研究對(duì)象適合爆破弱化技術(shù)處理大采高堅(jiān)硬頂板,對(duì)其進(jìn)行超前預(yù)裂,達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。

3.1 鉆孔布置及爆破要求

布置鉆孔時(shí),需要保證以下要求:一是開眼位時(shí),控制鉆桿轉(zhuǎn)速,應(yīng)以緩為主,調(diào)小氣腿推力。當(dāng)鉆進(jìn)30 mm左右時(shí),轉(zhuǎn)速和推理可逐漸調(diào)大,進(jìn)入正?？鬃鳂I(yè)。二是達(dá)到所要的目標(biāo)深度后,將水量逐步調(diào)小,同時(shí)關(guān)閉氣腿進(jìn)氣,另外鉆桿的轉(zhuǎn)速逐漸減慢。三是套釬鉆孔時(shí),短鉆桿所用的鉆頭直徑與長鉆桿的鉆頭直徑要有一定的差別,短桿的直徑要稍大。

施工時(shí)的起爆器型號(hào)為BF-200,并要求分組裝藥、分次爆破。嚴(yán)格采用“局部并聯(lián),總體串聯(lián)”的接連方式。分五次完成爆破,起爆方向?yàn)閺那醒蹫槠鸨c(diǎn),依次向向皮順、軌順方向進(jìn)行。本次試驗(yàn)共進(jìn)行5 d,爆破中炮眼全部爆破成功,遵照安全措施逐步爆破,未發(fā)生危險(xiǎn)狀況。

3.2 效果檢查

3.2.1頂板垮落情況分析

爆破期間當(dāng)頂板沒有垮落,這與頂板的砂巖巖性有關(guān),也與爆破的性質(zhì)是預(yù)裂爆破有關(guān)。頂板預(yù)裂處理結(jié)束后,進(jìn)行回采并進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)研究:當(dāng)工作面機(jī)頭推進(jìn)7.8 m時(shí),工作面后方直接頂局部發(fā)生冒落(最大1.5 m);當(dāng)推進(jìn)13.5 m時(shí),工作面后方直接頂冒落范圍進(jìn)一步加大;工作面機(jī)頭推進(jìn)23.6 m時(shí);工作面后方直接頂全部冒落,證明淺孔爆破已經(jīng)發(fā)揮作用經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測(cè)得出工作面上部初次來壓步距為30.4 m～32.2 m。

3.2.2炮孔爆破效果分析

1)鉆孔爆破效果分析。工作面放炮以后,對(duì)頂板進(jìn)行窺視研究,分析觀測(cè)放炮前后頂板變化情況,具體如下:3.91 m～4.42 m、4.97 m、6.40 m～6.61 m、9.51 m～9.64 m等處節(jié)理裂隙發(fā)育,其中在12.07 m～13.91 m范圍內(nèi)的孔壁表面變形嚴(yán)重,局部有碎片現(xiàn)象。

2)鉆孔爆破前后比較。為進(jìn)一步說明爆破對(duì)工作面頂板的影響效果,以運(yùn)其中一孔為對(duì)比孔,通過分析對(duì)比孔爆破前后頂板的變化,說明整個(gè)工作面頂板的變化情況:a.其中1.68 m～2.70 m范圍,巖性以黑灰色炭質(zhì)泥巖為主,整體性較差,且位于1.72 m～1.81 m范圍內(nèi)的孔壁有裂隙;b.3.20 m～4.51 m范圍,主要為直接頂,巖性以砂質(zhì)泥巖為主(厚約1.81 m),孔壁整體性差且有明顯裂紋;c.4.51 m～16.91 m范圍,以灰白色細(xì)粒砂巖為主,為老頂部分,破碎嚴(yán)重。

對(duì)比爆破前后窺視結(jié)果,形成試驗(yàn)前后柱狀對(duì)比圖,見圖1。

圖1 爆破前后對(duì)比圖Fig.1 Comparison before and after blasting

4 結(jié)論

在分析了大采高工作面頂板巖石力學(xué)特性后對(duì)其礦壓規(guī)律進(jìn)行計(jì)算,分析了大采高頂板預(yù)裂技術(shù)的,并制定以爆破預(yù)裂技術(shù)相關(guān)參數(shù)。對(duì)爆破前后頂板垮落及炮孔完整性進(jìn)行觀測(cè),檢測(cè)預(yù)裂技術(shù)效果,結(jié)果表明該技術(shù)可對(duì)大采高堅(jiān)硬頂板條件下進(jìn)行預(yù)裂處理。

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RoofPre-splittingTechnologyofLarge-mining-heightWorkingFace

KANGYang

(GaoheEnergyCo.,Ltd.,Changzhi046000,China)

According to the features of large-mining-height working face, mechanical characteristics of rock, and the theory of mining pressure, the paper proposes a roof pre-splitting technology to reduce roof strength and control weighting interval. The study could provide theoretical foundation and technical experience for the large-mining-height mining technology, which is important to increase technical standards and achieve sustainable growth of coal production.

large-mining-height; roof pre-splitting; blasting; detection

1672-5050(2017)01-0006-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.02.002

2016-11-18

康陽(1981-),男,四川巴中人,大學(xué)本科,工程師,從事煤礦安全生產(chǎn)管理工作。

TD823

A

(編輯:武曉平)