王全宏
(山西國辰建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)有限公司,山西 陽泉 045000)
新元煤礦3412 工作面位于二采區(qū)南部,工作面平均埋深為500 m。工作面北鄰3413 工作面,東部為東翼回風(fēng)大巷和東翼主運(yùn)大巷,西部為采區(qū)邊界煤柱,南部為3411 采空區(qū)。3214 工作面傾向長200 m,工作面開采3#煤層,煤層厚度2.1~2.55 m,均厚為2.35 m,平均傾角為7°。煤層直接頂為砂巖泥巖,平均厚度為8.0 m,基本頂為中砂巖,均厚為2.4 m,底板巖層為中細(xì)粒砂巖和砂質(zhì)泥巖。工作面回風(fēng)順槽長度為1890 m,為沿空留巷巷道,巷道寬度×高度=4800 mm×3000 mm,充填體為高水充填材料,充填材料強(qiáng)度為10 MPa,充填寬度為2 m。3412 工作面平面位置示意圖如圖1。由于3412 工作面存在厚層頂板,為保障沿空留巷作業(yè)的順利實(shí)施,減少頂板破斷對留巷圍巖的動載作用,需進(jìn)行切頂卸壓技術(shù)研究。
圖1 3412 工作面平面位置示意圖
當(dāng)頂板巖層為堅(jiān)硬巖層時,隨著工作面回采作業(yè)的推進(jìn),頂板懸露的長度會不斷增大,當(dāng)頂板懸露長度達(dá)到垮落極限時,大面積懸頂?shù)膸r層會發(fā)生突然斷裂現(xiàn)象,巖層的突然斷裂會產(chǎn)生沖擊荷載,其會作用到巷道圍巖上,導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)沖擊性的破壞,這會嚴(yán)重影響工作面的安全開采和巷道圍巖的穩(wěn)定。沿空留巷作業(yè)時,當(dāng)堅(jiān)硬頂板在采空側(cè)難以及時垮落時,采空區(qū)出現(xiàn)大面積懸頂現(xiàn)象。隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行,頂板巖層逐漸回轉(zhuǎn)下沉,其產(chǎn)生的垂直應(yīng)力和水平推力會全部作用到巷道圍巖和充填體上[1-2]。具體頂板巖層未預(yù)裂時的圍巖結(jié)構(gòu)如圖2。
圖2 頂板巖層未預(yù)裂時圍巖結(jié)構(gòu)示意圖
從圖2 中能夠看出,當(dāng)堅(jiān)硬頂板巖層未采用預(yù)裂技術(shù)時,上覆巖層會在煤柱的上方出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,頂板巖層發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉,且斷裂后巖層的運(yùn)動下沉的主動力和沖擊性較大,頂板巖層一旦發(fā)生斷裂便會快速落向采空區(qū),會對巷道圍巖及充填體造成嚴(yán)重的沖擊。
當(dāng)頂板采用爆破切頂技術(shù)后,頂板結(jié)構(gòu)如圖3。隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行,堅(jiān)硬頂板在充填體支護(hù)阻力和采動應(yīng)力的影響下會沿著切頂線出現(xiàn)斷裂,有效減小頂板的懸露長度,降低頂板巖層作用在巷道圍巖及充填體上的壓力,保障巷道圍巖的穩(wěn)定,緩解應(yīng)力集中的問題[3-4]。另一方面,隨著堅(jiān)硬頂板巖層切頂,頂板巖層垮落后,其產(chǎn)生的矸石會在采空區(qū)側(cè)不斷堆積,能夠?qū)敯逍纬梢欢ǖ闹巫饔?,能夠減緩頂板回轉(zhuǎn)變形對充填體的擠壓作用。
圖3 頂板預(yù)裂后圍巖結(jié)構(gòu)示意圖
聚能爆破主要通過改變爆轟產(chǎn)物和應(yīng)力波的作用路徑,以實(shí)現(xiàn)能量在特定方向上的集中匯聚,達(dá)到使裂隙定向擴(kuò)展的目的。在炸藥的兩側(cè)安裝聚能罩,通過聚能罩使得爆炸后的能量向著特定的方向匯聚,進(jìn)而在特定方向上形成高能射流,其作用到巖石單元上便能夠形成定向裂隙。
聚能爆破主要分為炸藥起爆、聚能罩變形、射流形成和射流侵蝕四個過程。聚能炸藥在炮孔爆炸后,聚能罩會在爆轟物的作用下產(chǎn)生變形并逐漸向軸線方向運(yùn)動,當(dāng)其在軸線對稱面上積聚能量時,沿著炮孔徑向作用和炮孔孔壁特定位置會形成初始導(dǎo)向宏觀裂縫,如圖4。
圖4 聚能罩裝藥結(jié)構(gòu)及壓垮結(jié)構(gòu)示意圖
聚能爆破作用會對孔壁產(chǎn)生強(qiáng)度較高的具有沖擊作用的高壓爆轟氣體,當(dāng)巨大的沖擊波傳播至巖體中時,巖體的破壞呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)特征。根據(jù)巖體破碎程度的不同,可將爆破誘導(dǎo)區(qū)劃分為破碎帶、II-斷裂帶和III-彈性振動區(qū)[5-6]。
根據(jù)堅(jiān)硬頂板切頂卸壓原理及聚能爆破機(jī)理的分析結(jié)果,結(jié)合3412 工作面具體的地質(zhì)條件具體進(jìn)行切頂卸壓方案設(shè)計(jì)。切頂卸壓方案中主要參數(shù)包括爆破鉆孔布置、爆破材料和爆破方案,具體參數(shù)設(shè)計(jì)如下:
(1)爆破鉆孔布置。3412 回風(fēng)順槽內(nèi)爆破鉆孔孔徑為48 mm,聚能管外徑為40 mm,壁厚為1.8 mm,爆破孔的深度為6 m,鉆孔間距為1.2 m,鉆孔封孔長度為2 m,裝藥長度為4 m,鉆孔在距充填體幫0.5 m 的位置處打設(shè),鉆孔與頂板成70°布置。聚能爆破鉆孔布置剖面圖如圖5。
圖5 聚能爆破鉆孔布置剖面圖(mm)
(2)爆破材料。爆破采用聚能藥包裝置,該裝置中包含炸藥和聚能管,炸藥直徑為38 mm,聚能管的長度為每段1.6 m,管壁厚度為1.8 mm。使用時在聚能管兩側(cè)打設(shè)180°的對穿孔,對穿孔孔徑為5 mm,間距為10 mm,如圖6。炸藥采用三級乳化炸藥,藥卷直徑為35 mm,長度為200 mm。
圖6 聚能管結(jié)構(gòu)示意圖
(3)爆破方案。為保障聚能爆破后頂板巖層會沿著爆破產(chǎn)生的裂隙破斷,同時為不影響工作面安全生產(chǎn),在采用超前預(yù)裂爆破方案時,根據(jù)工作面初次來壓和周期來壓步距,在工作面回采作業(yè)前,在距工作面開切眼15 m 的位置處進(jìn)行一次聚能爆破作業(yè),在工作面初次來壓后,頂板巖層便會沿著爆破產(chǎn)生的裂隙破斷,在工作面周期來壓期間,每間隔12 m 進(jìn)行一次聚能爆破作業(yè),以此保障頂板周期來壓破斷時不影響工作面的安全回采。
(1)巷道圍巖變形量。3412 回風(fēng)順槽內(nèi)布置巷道表面位移監(jiān)測站,監(jiān)測站布置在超前工作面的200 m 位置處,采用十字布點(diǎn)法分別對留巷圍巖采用聚能爆破前后的圍巖變形量數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測分析。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠得出圍巖變形曲線如圖7。
圖7 聚能爆破前后留巷圍巖變形曲線圖
分析圖7 可知,未采用聚能爆破時,在工作面后方,圍巖變形量隨著距工作面距離的增加而逐漸減小,在工作面后方200~500 m 時,圍巖變形速率隨著與工作面距離減小的降幅較為緩慢,在工作面后方0~100 m 時,圍巖變形量降幅較為顯著,巷道圍巖變形量的最大值約在滯后工作面500 m,頂板下沉量和兩幫移近量的最大值分別為309 mm 和702 mm。當(dāng)留巷聚能爆破方案應(yīng)用后,巷道頂板最大下沉量和兩幫最大移近量均大幅降低。爆破方案應(yīng)用后頂板下沉量和兩幫移近量的最大值分別為169 mm 和450 mm,降幅分別為62.4%和35.8%,表明頂板切頂卸壓后,有效地控制了圍巖的變形量,保持了巷道圍巖的穩(wěn)定性。
(2)充填體受力分析
3412 回風(fēng)順槽聚能爆破切頂方案應(yīng)用后,通過在充填底部與煤層底板間設(shè)置液壓枕的方式進(jìn)行充填體的受力分析,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)得出充填體的受力特征如圖8。
圖8 充填體受力特征示意圖
分析圖8 可知,充填體在滯后工作面0~20 m 時,采動影響下頂板巖層逐漸回轉(zhuǎn)下沉,對充填體形成一定的擠壓作用,使得充填體內(nèi)應(yīng)力明顯增大。隨后,隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行,在頂板巖層壓力作用下,充填體的荷載明顯增大。充填體在滯后工作面50 m 的位置處,受力達(dá)到最大值為5.3 MPa。當(dāng)充填體滯后工作面75 m 后,頂板運(yùn)動達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),充填體的荷載穩(wěn)定在3.6 MPa 左右,充填體受力始終處于其極限抗壓強(qiáng)度內(nèi),表明聚能爆破后沿空留巷期間充填體處于穩(wěn)定狀態(tài)。
根據(jù)3412 工作面回風(fēng)順槽沿空留巷的具體特征,通過分析切頂卸壓的原理及聚能爆破機(jī)理,結(jié)合留巷參數(shù),設(shè)計(jì)聚能爆破鉆孔布置參數(shù)、爆破材料及爆破方案。根據(jù)沿空留巷聚能爆破方案應(yīng)用后的效果分析可知,巷道切頂后控制了留巷圍巖變形,保障了充填體的穩(wěn)定。