李勤生，隋 磊，周 鋒，鄭 帥

(1. 張掖市宏能煤業(yè)有限公司，甘肅 張掖 734100；2. 冀中能源集團(tuán)東龐礦，河北 邢臺(tái) 054001)

0 引言

針對(duì)花草灘煤礦已開采的多個(gè)工作面采動(dòng)影響造成鄰近的1300西翼回風(fēng)巷道頂板下沉、幫部片幫、礦井多次組織井巷道維修問題，進(jìn)行理論分析、 FLAC 3D 數(shù)值模擬爆破切頂卸壓技術(shù)在不同爆破角度、爆破高度切頂卸壓圍巖應(yīng)力變化效果，研究不同切頂方案下采場(chǎng)超前應(yīng)力分布和巷道變形規(guī)律，確定最佳的爆破角度、爆破深度，解決堅(jiān)硬頂板和動(dòng)壓控制問題，減少主要大巷的修護(hù)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)安全效益，為維護(hù)巷道穩(wěn)定性提供了理論和現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)，同時(shí)為相類似地質(zhì)條件下的巷道施工提供技術(shù)參考和借鑒作用[1-5]。

花草灘煤礦1108綜采工作面位于煤1，東側(cè)為三條西翼大巷保護(hù)煤柱邊界，工作面布置圖如圖1所示。1108綜采工作面主采石炭系上統(tǒng)太原組上段煤1，該工作面煤層較穩(wěn)定，平均煤1厚1.70 m，受斷層等地質(zhì)情況影響區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)局部增厚或變薄，煤層傾角平均19°，煤層走向傾角為-2°～2°，夾矸厚度平均0.15 m，煤層偽頂是粉砂巖，厚度0.4 m左右；直接頂以砂質(zhì)泥巖為主，平均厚度4.0 m；老頂以中粒砂巖為主，局部含砂巖，厚度在6.0 m左右，煤硬度f(wàn)=1～2，容重1.39 t/m3。

圖1 工作面布置圖

1 1108運(yùn)輸順槽預(yù)裂頂板

垮落帶巖層厚度是垮落碎脹后能充滿采空區(qū)自由空間的巖層總厚度。在緩斜、傾斜煤層綜放開采中，理論垮落帶巖層厚度HK按式(1)確定[6-7]：

HK=M/(KK-1)cosa

(1)

式中，M為采煤高度，m；KK為垮落帶巖層平均碎脹系數(shù)；a為煤層傾角19°。

自下而上累加各直接頂分層及老頂分層厚度，當(dāng)達(dá)到或剛超過HK時(shí)，此分層為垮落帶最上一個(gè)分層，從最下一個(gè)分層至最上一個(gè)分層的厚度總和，就是實(shí)際的垮落帶巖層高度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，M=1.7 m，碎脹系數(shù)按式(1)計(jì)算，得出1108工作面各頂板分層碎脹高度，經(jīng)計(jì)算得出，冒落帶巖層碎裂充滿自由空間時(shí)，所需老頂上覆巖層的破斷高度為8.9 m。

經(jīng)理論計(jì)算與地質(zhì)柱狀圖分析，將致裂地點(diǎn)選在老頂上部使裂開后的老頂充分垮落，結(jié)合致裂影響的范圍理論分析，確定煤層上方4 m處6 m厚中粒砂巖老頂作為為致裂層位，只要將該范圍的頂板巖體切斷即可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤柱的卸壓。因此，頂板爆破孔孔深12 m，如圖2所示。

圖2 爆破預(yù)裂位置圖

2 FLAC3D數(shù)值模型建立

在爆破切頂卸壓的過程中，選擇不同的切頂參數(shù)會(huì)對(duì)切頂效果產(chǎn)生不同的影響，確定頂板斷裂最佳位置尤為重要。以張掖市宏能煤業(yè)有限公司花草灘煤礦1108綜采工作面實(shí)際地質(zhì)和生產(chǎn)現(xiàn)狀為背景建立數(shù)值模型，煤層埋深600 m，模型頂部施加上覆巖層等效壓應(yīng)力為15 MPa。模型尺寸為150 m×80 m×100 m，所設(shè)計(jì)FLAC 3D數(shù)值模擬模型，如圖3所示。

圖3 數(shù)值建模圖

對(duì)模型施加邊界約束條件，兩邊界面固定X向位移，前后界面固定Y向位移，底部界面固定Z向位移，本次數(shù)值模擬采用摩爾-庫(kù)倫模型。根據(jù)花草灘煤礦已有鉆孔資料，確定數(shù)值模擬所用煤巖體容重、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等相關(guān)力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖層參數(shù)

續(xù)表

3 不同爆破角度切頂卸壓分析

為研究不同切頂角度切頂卸壓對(duì)巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，故模擬切頂高度為10 m，其他條件保持不變，設(shè)定模擬切頂角度為0°、5°、10°、15°和20°時(shí)圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律。

3.1 各個(gè)角度的垂直應(yīng)力分布

在未切頂及設(shè)定角度下的垂直應(yīng)力分布圖如圖4所示。

圖4 不同切頂角度垂直應(yīng)力云圖

由圖4可知，與未經(jīng)爆破卸壓的方案相比，明顯可見煤柱內(nèi)高應(yīng)力區(qū)域面積大幅度減小，說明爆破卸壓切斷了位于煤層上覆堅(jiān)硬巖層，有效阻隔采空區(qū)上覆巖層載荷向工作面前方的傳遞路徑，使原有負(fù)載向采空區(qū)及淺部煤巖內(nèi)轉(zhuǎn)移，改變了煤巖體內(nèi)原有的支承應(yīng)力分布形態(tài)，使巷道處于西翼回風(fēng)大巷低應(yīng)力區(qū)內(nèi)。

3.2 西翼回風(fēng)大巷煤柱幫的垂直應(yīng)力分布

當(dāng)切頂角度改變時(shí)，西翼回風(fēng)大巷煤柱幫的垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同切頂角度煤柱幫垂直應(yīng)力分布規(guī)律

由圖5分析可知，不同切頂角度煤柱幫垂直應(yīng)力變化見表2。

表2 不同切頂角度煤柱幫垂直應(yīng)力變化

隨著切頂角度變化，煤柱幫承擔(dān)的覆巖荷載也隨之改變，當(dāng)切頂角度為15°時(shí)，煤柱幫的垂直應(yīng)力峰值繼續(xù)降低，煤柱幫應(yīng)力峰值為35.4 MPa，達(dá)到最低點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)花草灘煤礦1108工作面最佳卸壓效果。

4 不同爆破高度切頂卸壓分析

花草灘煤礦1108綜采工作面上覆頂板分別為4.0 m砂質(zhì)泥巖、6.0 m中粒砂巖、5.5 m粉砂巖。為研究不同切頂高度對(duì)圍巖應(yīng)力分布特征，在爆破工程施工過程中，爆破孔均由工作面兩側(cè)順槽向斜上方打設(shè)，所有方案中爆破區(qū)域垂直跨度均以煤層頂面為下界，向上逐層切斷，爆破卸壓區(qū)域垂直高度分別為4.0 m、10.0 m、15.5 m。

4.1 各個(gè)高度的垂直圍巖應(yīng)力分析

各個(gè)高度的垂直應(yīng)力分布圖如圖6所示。

圖6 不同高度切頂垂直應(yīng)力變化圖

根據(jù)圖6知，和未切頂時(shí)相比，切頂后煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力減小，且隨爆破卸壓區(qū)高度的增加，高應(yīng)力區(qū)域(即垂直應(yīng)力云圖中的藍(lán)色區(qū)域)面積不斷縮小，改善西翼回風(fēng)大巷應(yīng)力分布狀態(tài)，使其處于低應(yīng)力環(huán)境中。

4.2 各個(gè)高度巷道煤柱幫的垂直應(yīng)力分

切頂高度的變化改變了預(yù)裂結(jié)構(gòu)面兩側(cè)頂板巖層的約束范圍以及采空區(qū)垮落巖體的充填程度，同時(shí)影響了巷道煤柱幫的應(yīng)力分布規(guī)律。不同切頂高度巷道煤柱幫的垂直應(yīng)力分布特點(diǎn)，如圖7所示。

由圖7可知，不同切頂高度煤柱幫垂直應(yīng)力變化見表3。

表3 不同切頂高度煤柱幫垂直應(yīng)力變化

圖7 不同切頂高度煤柱幫垂直應(yīng)力分布規(guī)律

因此，隨切頂高度不斷增加，采空區(qū)頂板與巷道頂板之間的約束程度降低，頂板巖層間的應(yīng)力傳遞被減弱，同時(shí)采空區(qū)破斷巖體的填充空間增大，有效降低了實(shí)體煤幫和煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力，當(dāng)切頂高度超過10 m時(shí)，繼續(xù)增加切頂高度，巷道煤柱幫垂直應(yīng)力變化較小，卸壓效果不明顯，因此花草灘煤礦1108工作面最佳切頂卸壓高度為10 m。

5 爆破密度

為達(dá)到最佳的卸壓效果，運(yùn)用了FLAC 3D數(shù)值模擬方法模擬不同爆破角度、爆破高度切頂卸壓圍巖應(yīng)力變化規(guī)律分析研究,分析不同切頂方案下采場(chǎng)超前應(yīng)力分布和巷道變形規(guī)律[8-9]，借鑒深孔預(yù)裂爆破工程經(jīng)驗(yàn)，炮孔間距取為1.5 m，每組施工2個(gè)Φ42 mm直徑的炮孔，一個(gè)頂板鉆孔，另一個(gè)側(cè)向頂板鉆孔，孔深為12 m，裝藥8 m，封孔4 m，頂板鉆孔仰角為65°，側(cè)向頂板鉆孔仰角55°，炮孔間距可根據(jù)預(yù)裂效果適當(dāng)調(diào)整。

6 工程實(shí)踐

(1) 運(yùn)輸順槽

從工作面超前支架外開始，每隔1.0 m施工一組爆破孔。每組施工2個(gè)Φ42 mm直徑的炮孔?？椎赘叨瓤刂圃诿簩由戏酱垢?2 m左右，保證對(duì)煤層上方砂巖老頂實(shí)現(xiàn)預(yù)裂。

在工作面運(yùn)輸順槽向回采幫布置編號(hào)為①的1個(gè)頂板鉆孔，組間距1.0 m，孔深為12 m，仰角為65°；裝藥8 m，封孔為4 m。

在工作面運(yùn)輸順槽煤柱方向布置編號(hào)為②的側(cè)向頂板鉆孔，沿巷道軸向向煤柱偏移15°施工，炮孔間距1.0 m，炮孔深度12 m，仰角55°，裝藥8 m，封孔4 m。

(2) 回風(fēng)順槽

在工作面運(yùn)輸順槽向回采幫布置編號(hào)為③的1個(gè)頂板鉆孔，沿巷道軸向向回采側(cè)偏移15°施工，組間距1.0 m，孔深為10～12 m，仰角為55°；裝藥6 m，封孔為不小于4 m，單孔炸藥量不大于 3.2 kg。采用 3 根2 m長(zhǎng)聚能管，從孔底向外聚能管裝藥量分別為1.2 kg、1.0 kg和1.0 kg，圖8、9、10所示。

圖8 1108運(yùn)輸順槽爆破鉆孔立面布置圖

圖9 1108回風(fēng)順槽爆破鉆孔立面布置圖

圖10 爆破孔布置平面圖

7 結(jié)論

(1) 為保證1108綜采工作面最佳的卸壓效果，1108綜采工作面切頂卸壓設(shè)計(jì)炮孔角度偏向回采幫，與垂直方向?yàn)?5°，同時(shí)偏向采空區(qū)后方。高度應(yīng)進(jìn)入煤層頂板的第一層關(guān)鍵層，即炮孔應(yīng)進(jìn)入煤層上方10 m的頂板，終孔位置是6 m中粒砂巖的頂部，考慮角度影響，深度約為12 m。

(2) 當(dāng)切頂角度和切頂高度均確定為最優(yōu)設(shè)計(jì)值時(shí)，建立兩種不同狀態(tài)下的數(shù)值模擬方案，通過分析應(yīng)力分布變化規(guī)律，揭示切頂卸壓在維持巷道圍巖穩(wěn)定性方面的作用機(jī)理。