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        孤島工作面復(fù)合頂板切頂卸壓參數(shù)研究

        2019-06-06 02:39:12史建富
        山東煤炭科技 2019年5期
        關(guān)鍵詞:效果

        史建富

        (西山煤電集團斜溝礦,山西 興縣 033600)

        煤礦掘進過程中,頂板的離層、片幫、底板的鼓起等為比較常見的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。孤島工作面回采時,頂板及圍巖由于受兩側(cè)采空區(qū)影響破碎現(xiàn)象更突出,導致圍巖自身的承載力下降,支護工作難度和風險都比較大。應(yīng)對這種情況,通常采用加大、加密錨桿與錨索的方式對圍巖進行加固,但這種方式并不能從根本上解決動壓傳動現(xiàn)象,且后期維護費用較高。采用切頂卸壓技術(shù),可切斷孤島工作面頂板與相鄰采空區(qū)頂板的動壓傳動,從而減小工作面兩側(cè)采空區(qū)動壓對孤島工作面的影響,維持孤島工作面圍巖及頂板的安全。

        1 工程背景

        西山煤電集團斜溝煤礦10203孤島工作面沿走向布置,東部為北輔運、北回風大巷,南部為二盤區(qū)集中膠輔運大巷,西部為10202回采工作面(已回采),北部為10305膠輔運順槽(已形成)。工作面走向長200m,傾斜長1632m,煤層平均厚度為4.8m,傾角4°50′。該煤層基本頂為厚度5.70~7.30m的粗、中、細粒砂巖、粉砂巖;直接頂為厚度0.15~4.80m的泥巖夾煤線、炭質(zhì)泥巖夾煤線,泥巖裂隙發(fā)育,砂泥質(zhì)膠結(jié),易冒落;直接底為厚度3.00~7.50m的泥巖,深灰色,疏松,易碎,易風化。10303工作面礦壓顯現(xiàn)大于以往的綜采工作面,容易造成主回撤支架壓死等安全風險,故必須通過切頂卸壓的方式減小或者消除礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象,防止主回撤支架壓死事故的發(fā)生。

        2 切頂卸壓技術(shù)參數(shù)研究

        煤礦通常用預(yù)裂爆破方法實現(xiàn)切頂卸壓。通過爆破方法實現(xiàn)在回采巷道沿采空區(qū)處頂板切一條縫,回采完成后,在礦山壓力的作用下回采巷道頂板會在切縫處斷開,形成一個面,回采巷道與采空區(qū)的動力傳動就會消失,孤島工作面頂板不會受采空區(qū)動壓影響。如何控制切縫的位置以及切頂厚度成為切頂卸壓技術(shù)的關(guān)鍵。采用爆破方法進行切頂卸壓時,應(yīng)控制好預(yù)裂切頂高度、預(yù)裂切頂角度以及預(yù)裂切頂時炮眼間距。

        2.1 數(shù)值模型建立

        根據(jù)該礦工程地質(zhì)條件以及工程實際采煤方法,建立FLAC3D三維數(shù)值模擬模型,模型尺寸為100m×50m×50m,共劃分671600個單元,73124個節(jié)點。上覆巖層的自重通過施加固定荷載模擬,底部為固定邊界,上部為應(yīng)力邊界。煤巖層的力學特性參數(shù)見表1。

        表1 煤巖層力學特性表

        2.2 模擬方案及結(jié)果分析

        2.2.1 預(yù)裂切頂高度

        方案一:對最佳切頂高度進行模擬,將切頂角度設(shè)置為固定值0°,根據(jù)工作面煤層頂板厚度,預(yù)裂切頂?shù)母叨确謩e設(shè)置為2m、5m以及10m。不同切頂高度下巷道應(yīng)力分布變化模擬結(jié)果如圖1所示。

        圖1 不同切頂高度下巷道應(yīng)力分布

        由圖1可看出:預(yù)裂切頂高度為2m時,巷道周圍應(yīng)力集中現(xiàn)象還比較明顯,且應(yīng)力集中的影響范圍較大,峰值也較大,切頂高度5m和10m時應(yīng)力集中現(xiàn)象消除很大,且應(yīng)力集中的影響范圍逐漸縮小,峰值也較切頂高度為2m時下降很多。由此可見,切頂高度為2m時卸壓效果不明顯,高度為5m和10m時有明顯的切頂卸壓效果。由圖1(c)還可看出,在切頂區(qū)域存在比較大的面積應(yīng)力值為正,分析原因,由于切頂受采高的影響,形成切縫后,端部變?yōu)樽杂啥?,自由端過早與底板接觸,自由端與底板形成反作用力,影響切頂卸壓的效果。綜上所述,切頂高度為5m時切頂卸壓效果最佳。

        2.2.2 預(yù)裂切頂角度

        預(yù)裂切頂時,頂板并不會馬上完全從切縫處斷裂,它們之間仍然存在應(yīng)力傳遞現(xiàn)象,選擇合理的預(yù)裂切頂角度,可優(yōu)化預(yù)裂切頂?shù)男Ч?/p>

        方案二:將切頂高度設(shè)置為固定值5m,切頂角度設(shè)置為10°和20°,不同切頂角度下應(yīng)力場變化如圖2所示。

        圖2 不同切頂角度下巷道應(yīng)力分布

        由圖2可看出,切頂角度為10°時巷道周圍存在比較大區(qū)域的應(yīng)力集中,當切頂角度增大到20°時,應(yīng)力集中現(xiàn)象得到明顯減弱,且應(yīng)力集中區(qū)域遠離順槽,說明切頂角度為20°時孤島工作面與相鄰巷道的動力傳動得到有效切斷,切頂效果好。

        3 工程實驗效果分析

        10203孤島工作面正常推進過程中,巷道支護采用恒阻大變形錨索對巷道進行超前加固,錨索長度為10m,排距1m,對巷道頂板進行有效支護的同時,可增大孔內(nèi)裂隙率,改良切頂卸壓效果。該工作面切頂卸壓結(jié)合之前的爆破參數(shù)和數(shù)值模擬結(jié)果,炮眼沿采空區(qū)側(cè)巷道邊450mm沿走向布置一排,炮眼間距取600mm,深度5m,切頂角度為20°。

        通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對開采過程中錨索受到的拉應(yīng)力進行監(jiān)測,得到錨桿拉應(yīng)力隨開采進尺的變化曲線圖,如圖3所示。

        圖3 錨桿拉應(yīng)力隨推進距離變化圖

        由圖3可知:工作面推進后10m錨索拉應(yīng)力達到峰值,隨著工作面繼續(xù)推進,拉應(yīng)力迅速降低,再推進20m后,錨索拉應(yīng)力達到最低值,之后趨于穩(wěn)定,說明在第30d左右,切頂卸壓完成,且效果明顯。

        由此可見,選擇合理的爆破參數(shù),可實現(xiàn)巖層內(nèi)部動力傳動的漸變,直至被消除,保證切頂卸壓技術(shù)得到良好的效果。

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