劉瑞豐
(山西澤州天泰岳南煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048000)
岳南煤業(yè)215102 綜采工作面布置在15#煤層一采區(qū),煤層平均厚度3.8 m,煤層傾角約1°~7°,平均3°,在煤層中含有一層0.3 m 左右的泥巖夾矸。215102 工作面推進(jìn)長(zhǎng)度550 m,切眼長(zhǎng)度176 m,埋深約為172~152 m。工作面西部為南翼回風(fēng)大巷,與回風(fēng)大巷垂直布置;南部為215103 工作面;北部為215101 回采工作面;東部為實(shí)體煤巖。工作面巖層柱狀圖如圖1。
由圖1 可知,工作面無(wú)偽頂及直接頂,頂板為深灰色K2 灰?guī)r,厚度達(dá)8.35~10.55 m,平均9.5 m,且強(qiáng)度較高,為典型的堅(jiān)硬厚巖層,其在回采過(guò)程中不易垮落,易形成大面積懸頂,引起工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn),影響安全生產(chǎn)。因此,需在工作面來(lái)壓前通過(guò)深孔預(yù)裂爆破[1-5],實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬頂板的強(qiáng)制破斷。
圖1 15#煤巖層柱狀圖
CDEM 是一種將有限元及離散元方法融合在一起的數(shù)值模擬軟件,它可以有效地模擬出巖體的非連續(xù)破壞的整個(gè)過(guò)程,并且可同時(shí)計(jì)算動(dòng)態(tài)及靜態(tài)載荷同時(shí)作用下的巖體破壞變形。因此,采用CDEM 模擬深孔爆破時(shí)堅(jiān)硬頂板內(nèi)裂紋的擴(kuò)展特征,為后續(xù)確定合理的炮孔間距提供依據(jù)。
基于215102 綜采工作面的實(shí)際地質(zhì)條件,建立二維數(shù)值計(jì)算模型,模型尺寸為:長(zhǎng)×高=100 m×35 m,按表1 的數(shù)據(jù)對(duì)各巖層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦參。對(duì)模型兩邊及底部進(jìn)行位移約束,模型頂部施加一定的均布載荷模擬上覆巖層壓力。模擬中在開(kāi)切眼頂板向上傾斜45°布置炮孔,炮孔深度13.5 m,封孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為5.5 m,利用CDEM 的爆炸計(jì)算模塊模擬炮孔的裂紋擴(kuò)展規(guī)律,對(duì)比分析預(yù)裂爆破前后堅(jiān)硬頂板的運(yùn)移破斷規(guī)律。
表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)
開(kāi)切眼形成后,對(duì)工作面頂板進(jìn)行爆破動(dòng)態(tài)模擬,爆破后不同時(shí)刻頂板的裂隙擴(kuò)展特征如圖2。
圖2 數(shù)值模擬結(jié)果
由圖2 可知,炮孔爆炸后形成的沖擊波在巖體迅速傳播,炮孔周?chē)膸r體出現(xiàn)了明顯的位移,使得炮孔出現(xiàn)擴(kuò)腔,半徑大幅度增加。炮孔周?chē)鷰r體中出現(xiàn)的裂隙主要為水平裂隙,局部伴生縱向裂隙,且各裂隙間互相貫通,巖體破碎效果較好。
為確定合理的炮孔間距,在距炮孔起爆點(diǎn)一定距離內(nèi)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)起爆后炮孔周?chē)鷰r體的應(yīng)變情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,如圖3。
圖3 炮孔周?chē)鷰r體應(yīng)變時(shí)程曲線
由圖3 可知,炮孔起爆后,應(yīng)力波在巖體中的傳播隨著時(shí)間的增加而不斷衰減,經(jīng)過(guò)7 ms 后測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變趨于穩(wěn)定。另外,距炮孔起爆點(diǎn)6 m 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變基本沒(méi)有大幅度的變化,說(shuō)明大于此范圍的圍巖受應(yīng)力波的影響較小,相鄰炮孔起爆后不會(huì)影響下一組炮孔的完整性,因此,初步確定炮孔間距為6 m。
模擬工作面的推進(jìn)過(guò)程中,通過(guò)循環(huán)開(kāi)挖的方式,每次開(kāi)挖5 m 并計(jì)算平衡后進(jìn)行下一步開(kāi)挖。原生頂板巖層運(yùn)移破斷情況如圖4,深孔爆破后頂板巖層運(yùn)移破斷情況如圖5。
圖4 原生頂板巖層運(yùn)移破斷情況(m)
由圖4 可知,原生堅(jiān)硬頂板未采取爆破處理時(shí),工作面推進(jìn)20 m 后,頂板在拉應(yīng)力的作用下僅產(chǎn)生微小的離層裂隙;工作面推進(jìn)30 m 后,頂板K2 灰?guī)r下部出現(xiàn)局部冒落,但其整體性仍然保持完好,在采空區(qū)形成大面積懸頂。由圖5 可知,在開(kāi)切眼后方對(duì)堅(jiān)硬頂板實(shí)施深孔爆破處理后,在工作面推進(jìn)20 m 時(shí),頂板巖體出現(xiàn)大量順層裂隙并明顯下沉;工作面推進(jìn)30 m 后,在應(yīng)力的作用下,采空區(qū)內(nèi)的K2 灰?guī)r垮落破斷。通過(guò)模擬結(jié)果可以看出,對(duì)堅(jiān)硬頂板進(jìn)行深孔預(yù)裂爆破后,其內(nèi)部巖體產(chǎn)生大量貫通裂隙,完整性被破壞,并可以在采空區(qū)內(nèi)及時(shí)垮落破斷,減小工作面來(lái)壓步距及來(lái)壓強(qiáng)度。
圖5 深孔爆破后頂板巖層運(yùn)移破斷情況(m)
(1)炮孔角度
炮孔仰斜的角度直接影響乳化炸藥的裝藥難易程度和爆破效果。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及施工成本等,確定炮孔仰斜角度為45°。
(2)炮孔深度
炮孔深度對(duì)頂板預(yù)裂爆破效果也有十分重要的影響,一般通過(guò)工作面需要強(qiáng)制放頂?shù)膸r層層位高度及巖性來(lái)進(jìn)行確定。為保證215102 工作面放頂后能夠達(dá)到減壓效果,爆破后冒落的巖層應(yīng)能夠有效地充實(shí)采空區(qū),則215102 工作面需要進(jìn)行放頂?shù)膸r層高度H可由下式計(jì)算:
式中:h為工作面采高,取3.8 m;K為冒落巖層的碎脹系數(shù),根據(jù)K2 灰?guī)r的巖性,取1.4。通過(guò)計(jì)算得出215102 工作面放頂高度H=9.5 m。炮孔角度為45°,則炮孔深度為L(zhǎng)=H/sin45°=13.5 m。
(3)炮孔間距
炮孔間距主要與每個(gè)孔起爆后形成的裂隙區(qū)范圍有關(guān)。炮孔間距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致裂隙不能形成貫通,達(dá)不到放頂目的;炮孔間距過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致相鄰炮孔破壞或引起炮孔沖擊的危險(xiǎn)。為保證爆破的連續(xù)性及安全性,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件,確定215102 工作面深孔爆破的炮孔間距為6 m,本次爆破采用的炸藥為礦用2 級(jí)乳化炸藥。炮孔布置方式如圖6。
圖6 深孔爆破炮孔布置方式(mm)
215102 工作面安裝支架完成后向前推進(jìn)3~4刀,并對(duì)支架后方進(jìn)行控頂支護(hù),在控頂安全范圍內(nèi)進(jìn)行頂板的深孔爆破試驗(yàn),按照設(shè)計(jì)的爆破參數(shù)施工鉆孔并裝藥后,炮孔沿工作面傾向,從運(yùn)輸巷端頭向回風(fēng)巷端頭依次起爆。爆破完成后工作面頂板出現(xiàn)了明顯的縱深裂隙,待工作面繼續(xù)推進(jìn)一定距離后,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察得出,采空區(qū)頂板能夠及時(shí)垮落并有效充填采空區(qū),未出現(xiàn)大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象。
為分析215102 工作面堅(jiān)硬頂板爆破的卸壓效果,在工作面上部、中部及下部共計(jì)布置8個(gè)監(jiān)測(cè)站,對(duì)爆破后工作面的支架阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并統(tǒng)計(jì)分析頂板的初次來(lái)壓情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 215102 工作面初次來(lái)壓情況
由表2 可知,對(duì)215102 工作面堅(jiān)硬頂板實(shí)施深孔爆破后,工作面的平均來(lái)壓步距為32.9 m,平均動(dòng)載系數(shù)為1.27。該礦類似工程條件下的工作面,未采取放頂處理時(shí)的初次來(lái)壓平均為58.6 m,采取深孔爆破放頂處理后,初次來(lái)壓步距減小了25.7 m,可見(jiàn)提出的深孔爆破技術(shù)取得了顯著的卸壓效果。
為解決215102 工作面堅(jiān)硬頂板垮落不及時(shí)造成懸頂面積大的問(wèn)題,提出了深孔預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂技術(shù)。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)堅(jiān)硬頂板爆破后的裂紋擴(kuò)展特征進(jìn)行了分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件確定出合理的炮孔間距為6 m,并對(duì)炮孔角度及炮孔深度等參數(shù)進(jìn)行了確定。在215102 工作面推進(jìn)3~4 刀后,在開(kāi)切眼支架后方進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),結(jié)果表明:工作面的平均來(lái)壓步距為32.9 m,平均動(dòng)載系數(shù)為1.27,相比于該礦類似工程條件下工作面的初次來(lái)壓步距減小了25.7 m,卸壓效果顯著,且采空區(qū)未出現(xiàn)大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象。