趙晉軍
(山西晉煤集團沁水胡底煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)
堅硬難垮落頂板指的是巖石強度高、無明顯裂隙、承載能力強、開采后懸露面積大不易垮落的頂板[1-4]。堅硬難垮落頂板礦壓顯現(xiàn)特征和普通頂板相比有巨大差別,給礦井安全生產帶來巨大隱患。對堅硬頂板的處理,經過幾十年的發(fā)展,取得諸多研究成果。閆少宏在分析頂板處理原則和水力壓裂定向分層機理的基礎上,提出了高壓注水,人為將頂板分層,控制頂板來壓強度的方法[5];馮彥軍利用現(xiàn)場實驗,研究了水力壓裂對頂板的影響和水力壓裂的特點[6];陳自新分析了堅硬難垮落頂板的力學性質和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,通過對處理方法的對比,發(fā)現(xiàn)超前深孔松動爆破效果更好[7];潘超利用FLAC數(shù)值模擬和聲發(fā)射,研究了水力壓裂過程中,人為弱面對頂板裂紋擴展機理的影響[8];張振配認為,堅硬頂板經過水力壓裂處理后,可達到弱化、減弱強頂板度,破壞頂板完整性的效果[9];蘇波研究發(fā)現(xiàn),經過水力壓裂處理后,隨著工作面的推進,頂板逐漸分層垮落,初次來壓減弱[10];任俊利用二氧化碳致裂技術,對頂板進行弱化處理后,工作面周期來壓步距減小,來壓強度減弱[11]。從上述研究成果可以看出,國內專家學者對注水弱化處理堅硬頂板的研究較多,對爆破弱化的研究少。本文以山西胡底礦4304工作面為研究背景,在分析頂板狀態(tài)的基礎上,利用數(shù)值模擬分析了工作面礦壓顯現(xiàn)特征,利用超前深孔松動爆破技術對頂板進行處理,取得良好的治理效果。
山西胡底礦4304工作面位于泮溝南向斜軸部,整體中部低東西高,走向長為1080.3m,傾斜長220.7m。工作面前250m為下山回采,此處至終采線為上山回采,回采過程中局部頂板節(jié)理比較發(fā)育。所采3#煤層結構簡單,底板平均標高+505m,地表標高約+979m;煤層傾角1°~9°,平均4°,平均煤厚5.54m。工作面的直接頂為2.08m厚的砂質泥巖,強度較低,開采后易垮落,但垮落后的破碎巖石并不能充滿采空區(qū);向上為厚度8.04m的中細砂巖。頂?shù)装鍘r石力學參數(shù)見表1。
表1 巖層力學參數(shù)表
從表1看出,工作面基本頂為單軸抗壓強度107.96MPa的堅硬頂板,不易垮落。在工作面初采期間,基本頂?shù)牟患皶r垮落易造成頂板事故,例如引發(fā)“颶風”和回風巷瓦斯超限等問題。因此需對頂板進行處理,減小基本頂?shù)某醮慰迓洳骄啵员WC礦井的生產安全。
以胡底礦4304工作面為背景,利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件研究工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,數(shù)值模型中頂?shù)装宓暮穸纫怨こ虒嶋H巖層厚度確定,頂板厚度為60m,底板為16m。4304工作面所在煤層的實際埋深約450m,上覆巖層利用等效載荷來代替。等效載荷按式(1)進行計算,各巖層的物理力學參數(shù)以實驗室測定的結果為準。
p=∑Hρg
(1)
式中,H為煤層上覆巖層的厚度,取450m;ρ為巖石密度,取2500kg/m3;g為重力加速度,取9.81m/s2。
由于工作面所屬煤層傾角小,故數(shù)值計算中,以水平煤層代替;模型四周水平位移固定,底部固定垂直位移;主應力沿坐標軸方向,大小相等;計算遵循摩爾-庫倫準則。依據上述內容建立模型,模擬隨工作面推進頂煤頂板垮落狀況和垂直應力分布狀況,推進距離分別為:15m、22m、30m、37m、45m、100m、150m、200m。
隨工作面推進,頂板破壞狀況和垂直應力分布狀況如圖1所示。圖1中,左側為頂煤頂板破壞狀況,右側為垂直應力分布狀況。
圖1 隨工作面推進頂煤頂板垮落和垂直應力分布圖
從圖1可以看出:當工作面推進了15m時,采空區(qū)上方的1.5m偽頂部分頂板已開始破壞,直接頂尚未發(fā)生破壞;當工作面推進22m后,采空區(qū)1.5m偽頂發(fā)生冒落,約3m高的老頂發(fā)生破壞,跨落后,采空區(qū)不能完全充滿;在工作面推進30m后,采空區(qū)1.5m偽頂發(fā)生破壞,約4m高的老頂發(fā)生破壞,仍不能完全充填采空區(qū);推進37m后,采空區(qū)破壞范圍擴大,延伸到細砂巖層,在砂巖和粉砂巖層產生離層,可以判斷,此時老頂開始折斷,發(fā)生大面積垮落,為初次來壓;在推進45m、100m、150m和200m后,采空區(qū)上方頂板的垮落狀態(tài)基本相同,老頂垮落完全,其上方巖層隨之破壞。
從圖1還可以看出:當工作面推進15m時,煤壁前方應力峰值的位置不明顯,在煤壁前3m頂板位置出現(xiàn)較大的應力集中,最大數(shù)值約12.6MPa;工作面推進22m時,距煤壁約3m的位置出現(xiàn)明顯應力峰值,數(shù)值約13.5MPa,煤壁上方頂板由于頂板內部彈性變形引起的應力集中產生約13.9MPa的應力峰值;工作面推進30m時,在煤壁前方4m的位置出現(xiàn)約16MPa的應力峰值,應力峰值的增大表明產生了更加明顯的應力集中;當工作面推進了37m時,由于老頂斷裂,壓力減小,彈性能釋放,應力峰值位置前移,應力集中范圍減小;隨著工作面的推進,在推進45m、100m、150m和200m時,應力峰值分布范圍集中,數(shù)值變化小,每20m會有一定緩和,預測周期來壓步距約20m。
綜合上述分析,在推進37m時,老頂發(fā)生折斷,可以認為,此時發(fā)生初次來壓,由于此時頂板的大面積懸露,頂板垮落容易引發(fā)較為嚴重的頂板事故,因此,需要對頂板進行弱化處理,以較小頂板懸露。
頂板爆破處理,達到完全充填采空區(qū)的目的,需滿足式(2):
Hx×ξ=Hc+Hx
(2)
式中,Hx為頂板崩落厚度,m;Hc為工作面采高,取5.54 m;ξ為巖石碎脹系數(shù),取1.5。
將上述數(shù)據帶入式(2)計算得:Hx=11.08m,即頂板上方需要處理的垂直高度范圍為11.08m。工作面上方頂板由厚度分別為2.08m和8.04m的砂質泥巖和細粒砂巖組成,因此頂板處理高度約兩者之和,取10m。
3.2.1 爆破方式
根據工作面頂板處理實踐,結合其它類似頂板處理經驗,4304工作面采用深孔、淺孔相結合的爆破方式進行處理,并提出兩種爆破方案,首先將工作面分為5個區(qū)域,分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ,如圖2所示。具體爆破方案如下:①方案一:淺孔布置區(qū)域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ)+深孔布置區(qū)域(Ⅲ);②方案二:淺孔布置區(qū)域(Ⅰ、Ⅴ)+深孔布置區(qū)域(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。
圖2 4304切眼布孔區(qū)域示意圖(mm)
與方案一相比,方案二增加了深孔布置孔數(shù):在深孔布置區(qū)域(Ⅲ)的兩側Ⅱ、Ⅳ區(qū)域每排兩側各增加4個炮孔,共增加8個炮孔。增加的炮孔仰角設計為60°,炮孔深度12m,裝藥長度7m,封孔長度5m;淺孔爆破的方式與方案一相同。方案一為基本選擇,由于方案二增加了深孔炮孔數(shù)量,對基本頂?shù)钠茐淖饔酶?,在時間及現(xiàn)場施工允許的條件下,應盡量采用方案二。
3.2.2 淺深爆破孔布置
待綜采工作面推出開切眼后,為保證4304工作面回采過程中采空區(qū)及兩巷三角區(qū)不出現(xiàn)大面積懸頂,采取在工作面機頭部、工作面架間、保護煤柱側打眼進行補充爆破,對頂板進行弱化和松動處理,方案二淺深孔爆破炮孔布置如圖3所示。
圖3 方案二淺深孔爆破炮孔布置示意圖
從圖3可以看出,工作面中間部位為深孔爆破區(qū),兩側為淺孔爆破區(qū)。工作面機頭、工作面架間、保護煤柱側具體爆破措施如下:
1)機頭部爆破措施:提前在機頭架至切眼后密閉段由外向里打設兩排木垛,要求木垛應打在巷道中部,木垛之間留出打眼及爆破作業(yè)空間。炮眼傾斜指向工作面,施工8~10m深的炮眼,眼深較小時,應保證炮眼角度與豎直方向在55°以上(保證頂板處理垂度在6m以上),炮眼走向間距2m左右(即每兩個木垛之間施工1個炮眼),進行爆破,以達到對工作面機頭段頂板進行弱化的目的。
表2 機頭部炮孔參數(shù)
2)工作面架間爆破措施:在工作面架間向后施工6~8m深的炮眼,炮眼位置應根據當班作業(yè)時采空區(qū)頂板垮落情況而定。考慮到工作面支架及其他設備安全,架間爆破時藥卷應使用普通0.2kg藥卷配合同廠同期的毫秒延遲電雷管,爆破時一次爆破相鄰的3~5個眼。
表3 工作面架間炮孔參數(shù)
3)運輸巷與泄水巷保護煤柱側爆破措施:工作面機頭每推進2m,由綜采一隊使用普通藥卷,在該段保護煤柱3~4m高度斜向后沿保護煤柱施工3m深的炮眼,進行爆破,減弱該段煤柱對工作面頂板的支撐強度。
表4 保護煤柱側炮孔參數(shù)
工作面頂板爆破弱化處理后,直接頂?shù)目迓溆蓹C尾向機頭方向發(fā)展。工作面初次來壓頂板垮落后,工作面直接頂?shù)目迓洳骄酁?3.8~16.9m,平均15.4m,小于模擬預測長度;工作面來壓強度不大,但是其動載系數(shù)較大。整個工作面來壓強度不大,初采期間未觀測到煤壁大范圍片幫、煤炮等明顯來壓現(xiàn)象,且未出現(xiàn)回風巷瓦斯超限問題。
在工作面推進期間,利用尤洛卡公司的支架壓力記錄儀對工作面支架阻力進行監(jiān)測,測站觀測的支架為19#、20#、21#、49#、50#、66#、79#、80#、81#、96#、109#、110#、111#。工作面礦壓監(jiān)測數(shù)據可以得出:基本頂呈現(xiàn)分段來壓的特點,機尾部初次來壓步距為19~26.5m,工作面中部為31~47.5m,工作面上部為52.8~56m;工作面支架的初撐力較低,且在非來壓期間的平均工作阻力低。
綜上分析可知,整個工作面整體來壓步距、來壓強度不大,呈現(xiàn)分段來壓的特點,本次爆破放頂取得了較為滿意的效果。
1)針對胡底煤礦4304大采高工作面堅硬頂板的治理取得了較好的效果,工作面直接頂?shù)目迓洳骄酁?3.8~16.9m,平均15.4m,比數(shù)值模擬預計的未經爆破處理的37m大大減小。
2)工作面基本頂來壓呈現(xiàn)分段的特點。工作面機尾和中部位置受陷落柱的影響,初次來壓步距較小,分別為19~26.5m和 31~47.5m,工作面上部機頭段的步距為52.8~56m;整個工作面來壓強度不大,并未出現(xiàn)大范圍片幫和回風巷瓦斯超限等問題,本次爆破放頂取得了較為滿意的效果。