尹忠昌宋俊生胡少銀高全臣

1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083;2.淮河能源集團煤業(yè)公司,安徽淮南 232001

我國煤炭開采已經進入深部,深部開采的諸多問題日益凸顯[1-6]。 在眾多煤礦事故中,頂板事故所占比例較大,尤其煤層頂板處于巨厚砂巖等堅硬頂板時。 堅硬頂板指的是處于開采煤層之上的自承載能力比較強的頂板,其主要特點是頂板厚度相對較大,整體強度較大,整體性較好,節(jié)理、裂隙等弱面發(fā)育比較差[7-8]。 由于巖層結構的特點,堅硬頂板工作面具有來壓顯現強烈、動載系數大、來壓步距大、極限懸頂面積大、垮落巖石塊度大、頂板垮落高度大等礦壓特點,因此,厚煤層堅硬頂板的突然垮落會產生強烈的來壓現象,影響煤礦的安全生產。 要實現隨工作面推進頂板自然垮落、消除大面積懸頂以及采空區(qū)瓦斯涌出等重大安全隱患就必須采用人工強制放頂。

目前國內外針對堅硬頂板的弱化技術可以歸納為以下兩大類[9]:

(1) 注水弱化堅硬頂板法。 由于注水壓力的問題,該方法有其局限性,僅適用于堅硬難垮落的厚砂巖、砂礫巖、厚礫巖以及石灰?guī)r,不適用于堅硬巖層和有地質破壞帶的巖層。 目前該方法在國內還處于初始起步階段,而國外(波蘭、澳大利亞等)已經發(fā)展比較成熟。

(2) 爆破弱化堅硬頂板法。 包括:循環(huán)式淺孔、步距式深孔、地面鉆深孔3 種強制放頂法和超前深孔松動預爆破法。 其主要原理是相同的,即在深孔藥包爆炸后,炮孔周邊因炸藥爆炸的強沖擊形成破碎區(qū),稍遠區(qū)域形成裂隙區(qū),巖體發(fā)生破碎,進而達到弱化頂板的效果。 隨著采煤工作面的持續(xù)推進,深孔爆破產生的裂隙與巖體中原有的節(jié)理等弱面相聯(lián)通并繼續(xù)擴展,使上覆巖體整體強度降低,分塊分帶垮落,從而實現強制放頂。 采用爆破方法的強制放頂效果顯著,但由于爆破間距等爆破參數的控制困難,容易造成頂板過度破碎,影響工作面的正常推進。 因此,采用該方法要綜合考慮各方面的影響因素,作出合理的選擇。 趙英順等[10]在大黃山煤礦針對完整、堅硬、不易垮落煤層頂板的工作面,探索了利用深孔預裂爆破強制放頂技術。 王金國[11]在大柳塔礦20605 綜采面運用深孔預裂爆破放頂技術,在初次垮落前切斷頂板、減小來壓步距,降低了對采場支架和人員安全的威脅,取得了較好的放頂效果。 在遇到較硬的火成巖頂板工作面時,陳興民[12]采取強制放頂和加強現場管理措施,成功地將初次來壓步距減小在20 m 以內。 楊相海等[13]通過數值模擬分析,得到非堅硬頂板工作面可以通過深孔和淺孔強制放頂方法,減小初次來壓步距,提出了采用深淺孔相結合的強制放頂方法預防大面積垮落,并得到了合理的炮孔直徑與最小抵抗線,確定了較合理的非堅硬頂板的強制放頂的爆破參數。

淮南張集礦區(qū)A 組煤層頂板為巨厚致密堅硬砂巖,平均厚度27.9 m。 為避免回采過程中誘發(fā)沖擊地壓等動力災害[14],本文采用數值模擬和現場對比試驗相結合的研究方法,探索切縫藥包用于巨厚堅硬砂巖頂板爆破的安全控制關鍵技術。 首先采用數值模擬分析切縫藥包深孔松動爆破;然后進行普通藥包控制爆破與切縫藥包對比試驗;最后分析了深孔爆破后頂板垮落時的礦壓規(guī)律。 結果表明:切縫藥包不僅可以減少裝藥用量,而且能更精確地控制破裂面的形成,達到了很好的爆破效果。

1 張集煤礦1413A 工作面概況

張集煤礦首采面1413A 工作面地質構造相對簡單。 煤厚3.54 ～8.8 m,平均7.0 m,f值0.83 ～1.13,平均0.95。 頂板為巨厚層砂巖,巖性為粉砂巖、細砂巖、中細砂巖、粗砂巖及砂泥巖互層,以中細砂巖為主,成分以石英長石為主,堅硬,局部含水,厚度為17.53～44.72 m,平均27.9 m,為典型的巨厚堅硬頂板。 1413A 工作面煤厚、煤軟、頂硬,礦區(qū)地質條件特殊。 根據勘探、頂板取芯鉆孔、巷道頂板錨索鉆孔等資料,獲得了煤層頂底板巖性特征及力學參數(表1)。

表1 頂底板巖性特征及力學參數Tab.1 Rock formations and characteristics of roof and floor

采區(qū)附近的地應力測試[15]結果顯示:最大水平主應力為38 MPa,最小水平主應力為13.9 MPa,前者是后者的1.65 ～2.79 倍,浮動區(qū)間主要受到最小主應力變化的影響。 各測點處的垂直應力平均為14.5 MPa,最大水平主應力為垂直應力的2.58 ～2.66 倍。 原巖應力的分布對煤礦深部巖層的變形破壞和礦壓顯現規(guī)律均有較大的影響。竇波洋等[16]采用理論分析和FLAC3D數值模擬對張集煤礦14131 工作面進行了初次來壓步距和工作面長度研究,結果表明:巖石碎脹系數控制在1.30 ～1.35,循環(huán)放頂高度控制在18.8 ～22 m,基本頂初次來壓步距為34.8 ～46.4 m,支架合理支護強度為0.8 ～1.1 MPa,工作面的合理面長為160 ～190 m。

2 切縫藥包深孔松動爆破數值模擬

早在20 世紀70年代,Fourney 等[17]就提出了在炮孔中使用軸向切縫的管狀藥包在巖體中形成定向裂縫的方法。 其特點是在切縫方向造成應力集中,沿切縫方向形成斷裂破裂面。 我國從20 世紀80年代[18]開始對切縫藥包爆破技術進行研究。切縫藥包爆破形成定向裂縫過程分為兩個階段[19]:第一個階段即爆炸初期,在切縫管內腔尚未形成均布壓強之前,爆轟形成高速、高壓射流,作用于切縫方向的炮孔壁,沖擊波的動態(tài)作用使得切縫對應的孔壁處先產生裂縫;第二個階段是爆生氣體的準靜態(tài)壓力作用促使裂縫擴展和貫通。 因此,切縫藥包爆破的實質是在具有一定密度和強度的炸藥外殼上開有不同角度、不同形狀和數量的切縫,利用切縫控制爆炸應力場的分布和爆生氣體對(孔壁)介質的準靜態(tài)和尖劈作用,達到控制炮孔周圍介質開裂方向的目的。 圖1 所示為切縫藥包示意圖。

圖1 切縫藥包示意圖Fig.1 Schematic diagram of the slotted cartridge

為比較普通藥包與切縫藥包爆破效果,采用DYNA 數值模擬的方法進行對比分析。 圖2(a)為模型示意圖,炮孔前半部分為普通藥包,后半部分為切縫藥包。 巖石材料采用JHC 本構模型,炸藥采用JWL 方程模擬[20]。 圖2(b)為切縫藥包的剖面圖,紅色區(qū)域為炸藥,藍色區(qū)域為切縫管。

圖2 普通藥包與切縫藥包模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of common charge and slotted cartridge model

巖石材料的物理力學參數和炸藥材料參數見表2 和表3。 圖3 為普通藥包與切縫藥包聯(lián)合爆破過程示意圖。 炸藥起爆后約300 μs 傳爆至普通藥包與切縫藥包分界處,隨后在切縫藥包中繼續(xù)傳爆,可以看出切縫藥包在巖體中所引起的破碎區(qū)范圍明顯大于普通藥包。 圖4 為普通藥包和切縫藥包破碎范圍的對比,可以進一步看出切縫藥包的破碎區(qū)范圍約為普通藥包的2.5 ～3倍。 切縫藥包的定向斷裂效果顯著。

圖3 數值模擬爆破過程Fig.3 Numerical simulation of blasting process

圖4 破碎區(qū)范圍對比Fig.4 Comparison of the scope of fractured zone around blast hole

表2 巖石材料物理力學參數Tab.2 Basic physico-mechanical parameters of sandstone

表3 炸藥材料物理力學參數Tab.3 Properties of explosive and JWL eauqtions

3 深孔松動爆破現場對比試驗

3.1 普通藥包方案

圖5 為張集礦1413A 運輸軌道巷實際炮孔布置圖。 共有4 個炮孔,分別為A1、A2、A3和A4,藍色為藥卷,紅色為堵塞,中間黑色為煤層和預留小煤柱,煤層走向傾角4°。 表4 列出了4 個炮孔的長度、煤層的仰角、孔徑、裝藥量和封堵長度等相關數據。

表4 普通深孔爆破參數Tab.4 Blasting parameters of deep hole

圖5 1413A 運輸軌道巷炮孔布置正面圖Fig.5 Front view of blast hole layout at 1413A Yunshun

3.2 切縫藥包方案

現場切縫藥包尺寸如圖6 所示,加工后的起爆藥卷實物見圖7。 圖8 為張集礦1413A 運輸軌道巷實際炮孔布置的正面圖。 共有A1、A2、A33 個炮孔,藍色為藥卷,紅色為堵塞,中間黑色為煤層和預留小煤柱,煤層走向傾角4°。 表5 列出了3 個炮孔的長度、煤層的仰角、孔徑、裝藥量和封堵長度等相關數據。

表5 切縫藥包的爆破參數Tab.5 Blasting parameters of slotted cartridge

圖6 切縫藥包尺寸Fig.6 Dimensional drawing of the slotted cartridge

圖7 切縫藥包起爆藥卷Fig.7 Sample of slotted cartridge

圖8 1413A 運輸軌道巷炮孔布置正面圖Fig.8 Front view of blast hole layout at 1413A Yunshun

3.3 現場試驗結果對比

為預防沖擊地壓動力災害的發(fā)生,確保首采面的安全高效生產,在張集礦首采面建立了礦壓監(jiān)測系統(tǒng),對工作面回采過程的礦壓進行實時監(jiān)測。 工作面頂板觀測采用液壓支架壓力傾角監(jiān)測系統(tǒng),本系統(tǒng)采用尤洛卡綜采記錄儀進行井下液壓支架的壓力監(jiān)測。 工作面每隔10 架(10 架、20 架、…)安裝1 部監(jiān)測分機,傳輸分站安裝在控制臺位置,采用礦用通信電纜連接工作面通信;采用自動存儲,將工作面壓力數據采集并傳輸到地面計算機進行數據處理。 該工作面共布置10 個監(jiān)測分站。

根據工作面支架原始壓力曲線,并結合每日的進刀及退尺情況,對基本頂的初次來壓步距進行判斷:

(1) 工作面中上部初次來壓步距為34.5 ～35.7 m,初次來壓平均步距為35.1 m,隨支架工作阻力增加,煤壁出現異響并發(fā)生局部頂板垮落。

(2) 從現場看,5月23日早班:6 號～21 號支架煤壁出現片幫,從支架壓力曲線可以看出,支架初撐力普遍較低,需提高支架初撐力,及時打開護幫板,以加強來壓期間的頂板管理,防止煤壁片幫。

(3) 工作面在初次來壓時,未出現頂板異常出水、淋水現象。 根據微震監(jiān)測系統(tǒng)的數據分析,采空區(qū)后方的注漿封堵斷層未見異常。 因此,沒有透水情況發(fā)生。

工作面的初次來壓數據見表6。 可以看出,工作面初次來壓步距為34.5 ～35.7 m,初步判定初次來壓平均步距在35.1 m。

表6 工作面初次來壓步距及影響時間Tab.6 First pressure step distance and influence time of working face

工作面基本頂的平均初次來壓步距為30 m,這與強制放頂設計的30 m 處松動爆破破裂面位置相一致,驗證了超深孔強制放頂松動預裂爆破參數設計的合理性。 現場實測初次來壓步距35.1 m,設計步距34.8 m;現場實測周期來壓步距15.1 m,設計步距15 m。

4 結 論

(1) 通過數值模擬,獲得了切縫藥包和普通藥包炮孔應力場分布規(guī)律,揭示了切縫藥包松動爆破的定向斷裂控制機理及能量定向釋放作用機理,確定了巖石損傷破壞范圍。

(2) 1415A 工作面采用切縫藥包定向預裂松動爆破技術,比1413A 工作面減少炮孔數量1/4,裝藥量節(jié)省23% 。 解決了超深孔松動預裂炮孔爆破底部眼間距過大的問題,可實現對爆破破裂面及堅硬頂板的垮落位置的精準控制。

(3) 針對淮南礦區(qū)A 組煤巨厚砂巖堅硬頂板,建立了松動預裂爆破施工工藝的動力災害防治技術體系,保障了A 組煤安全高效回采。