劉源濤

(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭公司 大柳塔煤礦,陜西 神木 719315)

在煤礦井工開(kāi)采中,頂板問(wèn)題的發(fā)生對(duì)煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn),尤其是當(dāng)工作面上覆巖層中存在厚硬頂板,其具有的高強(qiáng)度、大厚度、完整性強(qiáng)的特點(diǎn)直接導(dǎo)致了工作面超前動(dòng)壓影響范圍增大、應(yīng)力傳遞效應(yīng)加劇、礦壓顯現(xiàn)尤為強(qiáng)烈等問(wèn)題,因此,針對(duì)厚硬頂板工作面通常采用切頂卸壓技術(shù),在頂板巖層中預(yù)制弱面,以通過(guò)破壞頂板巖層的連續(xù)性及完整性,達(dá)到切斷應(yīng)力傳遞路徑的目的。

靜態(tài)破碎切頂卸壓作為無(wú)聲、無(wú)粉塵、無(wú)震動(dòng)的新興技術(shù),其切頂機(jī)理是通過(guò)破碎劑與水反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹,進(jìn)而形成拉應(yīng)力作用在孔壁巖層上,利用巖石抗拉強(qiáng)度較低的特點(diǎn),產(chǎn)生拉伸破壞,從而達(dá)到切頂卸壓的目的。在針對(duì)靜態(tài)破碎的研究中,郝明等[1]通過(guò)數(shù)值模擬方法研究不同切頂參數(shù)對(duì)靜態(tài)破碎效果的影響,認(rèn)為自由面較多時(shí)可增加致裂效果;李團(tuán)結(jié)等[2]提出雙孔膨脹爆破法,并利用微震監(jiān)測(cè)手段得出該方法可對(duì)巖體中心造成較大的集中破壞;陳立峰等[3]針對(duì)混凝土靜態(tài)破碎實(shí)驗(yàn),通過(guò)裂隙長(zhǎng)度的觀測(cè),明示了其裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

綜合分析,本文以某礦厚硬頂板工作面末采階段的撤架通道難以維護(hù)問(wèn)題為研究背景,針對(duì)靜態(tài)破碎切頂機(jī)理及關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定量研究,以有效改善厚硬頂板工作面的應(yīng)力環(huán)境,提高撤架通道圍巖穩(wěn)定性。

1 工程背景

某礦52507工作面主采52煤層,煤層厚度6.8～7.62 m,平均厚度7.3 m,煤層傾角1°～3°,平均傾角2°,工作面埋深524 m,全部垮落法處理頂板,地質(zhì)構(gòu)造程度屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。相鄰工作面均為采空區(qū),屬于孤島工作面;工作面走向長(zhǎng)度2 315 m,傾向長(zhǎng)度278 m,布置有回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷、開(kāi)切眼共3條回采巷道,均為矩形斷面,采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)方式,其中切眼巷寬9.8 m,巷高5.1 m,斷面積49.98 m2.工作面布置平面圖如圖1所示。

圖1 52507工作面布置平面圖

工作面上覆巖層為典型的厚煤層堅(jiān)硬頂板,其頂板巖層主要分布有泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖等。其中偽頂為0.28 m的泥巖,整體強(qiáng)度偏低,節(jié)理裂隙少量發(fā)育;直接頂為4.15 m的粉砂巖,整體強(qiáng)度中等,致密,節(jié)理裂隙不發(fā)育;基本頂為11.31 m的細(xì)砂巖,致密且性脆,完整性較好,厚度較大,整體強(qiáng)度偏高。其頂?shù)装逯鶢顖D如圖2所示。

圖2 工作面頂?shù)装逯鶢顖D

52507工作面撤架通道布置于停采線(xiàn)處,距離輔運(yùn)大巷60 m,在采區(qū)系統(tǒng)形成時(shí)即掘進(jìn)完成,根據(jù)臨近工作面開(kāi)采經(jīng)驗(yàn),當(dāng)工作面回采至臨近撤架通道時(shí),由于厚硬頂板的連續(xù)性及完整性較好,成為加劇超前支承壓力傳遞的路徑,進(jìn)而導(dǎo)致輔運(yùn)大巷應(yīng)力增高,因此,本文提出采用靜態(tài)破碎劑切頂卸壓技術(shù),通過(guò)破壞厚硬巖層連續(xù)性的方法來(lái)切斷超前支承壓力的傳遞,以降低工作面動(dòng)壓對(duì)采區(qū)大巷的影響,有效減少巷道圍巖失穩(wěn)問(wèn)題的發(fā)生。

2 靜態(tài)破碎劑破巖機(jī)理分析

2.1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

靜態(tài)破碎劑通常以64%～81%的氧化鈣為主要成分,伴有少量有機(jī)物和無(wú)機(jī)鹽化合物,加之高溫,研磨而成的粉末狀固體。在工程使用中,通常以一定水灰比攪拌均勻,其實(shí)質(zhì)為物質(zhì)之間的成分轉(zhuǎn)換過(guò)程,即在一個(gè)封閉的空間中,水分子與氧化鈣分子充分反應(yīng),進(jìn)入氧化鈣分子內(nèi)部從而生成氫氧化鈣固相產(chǎn)物,而由于水化反應(yīng)的速度通常大于氫氧化鈣產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移速度,從瞬態(tài)來(lái)看,必然存在體積動(dòng)態(tài)膨脹效果,而處于約束狀態(tài)的固相產(chǎn)物膨脹能將轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力作用在封閉空間體內(nèi)[4]。其膨脹示意圖如圖3所示。

圖3 膨脹反應(yīng)示意

化學(xué)反應(yīng)式如下:

CaO+H2OCa(OH)2+64.9 kJ/mol

根據(jù)上式可知,分子間的反應(yīng)過(guò)程實(shí)際為放熱過(guò)程,水、氧化鈣及氫氧化鈣的摩爾體積和比重見(jiàn)表1.

表1 反應(yīng)物質(zhì)參數(shù)

膨脹壓力的大小與生成物的含量有直接關(guān)系,但并非線(xiàn)性增加狀態(tài),即當(dāng)氧化鈣與水反應(yīng)后,其本身具有一定的孔隙,生成物將先充滿(mǎn)孔隙,后產(chǎn)生膨脹能,因此,適當(dāng)降低破碎劑孔隙率可提高膨脹壓力。

2.2 巖體破碎機(jī)理

在靜態(tài)破碎技術(shù)中,其關(guān)鍵在于破碎空間的密封性,即約束條件是否穩(wěn)定,因此,本文在膨脹作用機(jī)理研究中作如下假設(shè):

1) 按平面應(yīng)變問(wèn)題處理;

2) 將破碎孔空間視為完全密封且各向均勻同性的約束介質(zhì);

3) 約束介質(zhì)為無(wú)限大的彈性體。

根據(jù)上述分析,建立如圖4所示多孔破碎力學(xué)模型,孔間距為l,破碎孔模型半徑分別為r1、r2,邊界分別受膨脹壓力q1、q2,若在距破碎孔l/2處任取一單元體A,A受疊加作用下的徑向拉伸應(yīng)力σr1、σr2,切向拉伸應(yīng)力σθ1、σθ2,則其徑向和切向拉伸應(yīng)力可由式(1)計(jì)算[5]:

圖4 多孔膨脹破碎機(jī)理力學(xué)模型

(1)

則A點(diǎn)總應(yīng)力為:

(2)

求倒數(shù)得:

(3)

若式3取極值點(diǎn)0,則:

(4)

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中,兩孔間的破碎參數(shù)基本一致,可近似認(rèn)為r=r1=r2、q=q1=q2,則將極值點(diǎn)和邊界點(diǎn)代入式(2)、式(3)、式(4)可得應(yīng)力為:

(5)

根據(jù)第三強(qiáng)度理論,孔壁巖體出現(xiàn)破碎需滿(mǎn)足:

σmin≥σt

(6)

式中:σt為巖體抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)式(5)可知σmin為:

(7)

則多孔膨脹條件下的介質(zhì)破碎條件為:

(8)

根據(jù)上述分析可知,由于破碎巖體受膨脹壓力產(chǎn)生拉伸破壞,因此,當(dāng)拉伸應(yīng)力大于其破碎巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí),巖體即發(fā)生破壞,并且當(dāng)孔間距為等距布置時(shí),介質(zhì)破碎程度在疊加作用下會(huì)有所增加。

3 靜態(tài)破碎切頂卸壓方案及模擬驗(yàn)證

3.1 切頂卸壓方案

1) 切頂高度及位置。根據(jù)關(guān)鍵層理論可知,在工作面上覆巖層中,存在一層或多層強(qiáng)度較高的關(guān)鍵層,其對(duì)周?chē)鷰r層的運(yùn)移起著關(guān)鍵控制作用,并且通常作為超前支承壓力的傳力結(jié)構(gòu)作用在工作面前方煤巖體內(nèi),因此,切頂是否達(dá)到卸壓效果與關(guān)鍵層的賦存狀態(tài)有直接關(guān)系。根據(jù)組合梁理論,關(guān)鍵層的判別可由式(9)、式(10)計(jì)算:

(9)

(10)

式中:(qi)1為第i層巖層對(duì)第1層巖層的載荷;E1、Ei為彈性模量,GPa;h1、hi為巖層厚度,m;γ1和γi為巖層容重,kN/m3;Lj為破斷步距,m;σtj為抗拉強(qiáng)度,MPa.

將52507工作面頂板巖層相關(guān)參數(shù)代入式(9)、式(10)可得基本頂細(xì)砂巖為第一層關(guān)鍵層,因此,確定切頂高度為23.7 m.

切頂位置的選擇決定了頂板懸臂結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)短,也直接影響切頂處巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境,因此,綜合考慮超前動(dòng)壓影響范圍,確定切頂位置為撤架通道內(nèi)煤柱幫肩角處進(jìn)行靜態(tài)破碎切頂。

2) 切頂角度。根據(jù)砌體梁理論可知,在切頂后,上覆巖層沿切縫線(xiàn)兩端形成巖塊A、B,發(fā)生垮落的判據(jù)為巖塊A、B產(chǎn)生相對(duì)位移,但為了防止切頂后撤架通道內(nèi)頂板變形量過(guò)大,選擇仰角75°朝向采空區(qū)打設(shè)破碎孔,即通過(guò)巖塊A與關(guān)鍵塊B在切縫處形成相互鉸接的狀態(tài),既達(dá)到了破壞傳力結(jié)構(gòu)的目的,也在一定程度上預(yù)防了頂板突然破斷對(duì)支架形成的沖擊壓力。

3) 破碎孔間距。根據(jù)爆破圍巖分區(qū)理論[6],按照孔壁巖層的破壞程度可分為壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動(dòng)區(qū),而靜態(tài)破碎劑是以體積膨脹能作為破碎壓力的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)過(guò)程,因此,基于靜態(tài)破碎條件下的圍巖破壞區(qū)可分為壓碎區(qū)與裂隙區(qū),而孔壁巖層產(chǎn)生裂隙即可達(dá)到破壞巖層連續(xù)性的目的,由此得靜態(tài)破碎條件下裂隙區(qū)半徑為:

(11)

式中:σcd為抗壓強(qiáng)度,MPa;σtd為抗拉強(qiáng)度,MPa;P為膨脹壓力,MPa;l為液孔比;r為鉆孔半徑,m.

將靜態(tài)破碎劑相關(guān)參數(shù)代入式(11)可得單孔的裂隙區(qū)半徑為0.51 m,取整后確定鉆孔間距為1 m.

根據(jù)上述分析可得,靜態(tài)破碎切頂卸壓方案為:在工作面距離撤架通道100 m處時(shí),沿撤架通道巷幫肩角處,以間距1 m布置切頂鉆孔,鉆孔角度為仰角75°朝向采區(qū)大巷方向打設(shè),切頂高度15.74 m,鉆孔深度16.3 m.鉆孔布置示意圖如圖5所示。

圖5 鉆孔布置示意

3.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

1) 模型建立及參數(shù)。數(shù)值計(jì)算模型長(zhǎng)200 m、寬100 m、高100 m,其中含頂板巖層70 m、煤層7.3 m、底板巖層23.7 m,頂部施加地應(yīng)力11.3 MPa,底板固定邊界,兩側(cè)限制水平位移,其各巖層模擬參數(shù)取值見(jiàn)表2.

表2 巖層模擬參數(shù)取值

2) 數(shù)值模擬結(jié)果分析。根據(jù)圖6、圖7可知,靜態(tài)破碎切頂前垂直應(yīng)力峰值為29.34 MPa,位于煤壁前方16.37 m處,切頂后應(yīng)力集中區(qū)域向巖層深部轉(zhuǎn)移,輔運(yùn)大巷處應(yīng)力由切頂前的20.13 MPa降至切頂后的13.4 MPa,同時(shí)超前動(dòng)壓影響范圍由68.45 m縮小至58.1 m,由此表明靜態(tài)破碎切頂方案可有效減小超前動(dòng)壓影響范圍。

圖6 切頂卸壓前垂直應(yīng)力分布云圖

圖7 切頂卸壓后垂直應(yīng)力分布云圖

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為針對(duì)切頂卸壓的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行定量分析,選擇在輔運(yùn)大巷(52507工作面段)內(nèi)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn),每天監(jiān)測(cè)并記錄,監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏?并繪制如圖8所示的圍巖變形量曲線(xiàn)圖。

圖8 圍巖變形量曲線(xiàn)

根據(jù)圖8可知,在切頂前,輔運(yùn)大巷圍巖變形量曲線(xiàn)斜率呈大幅上升狀態(tài),其中頂?shù)装逡平孔畲鬄?41 mm,增幅為9.47 mm/d,兩幫移近量最大為151 mm,增幅為4.19 mm/d;切頂后,輔運(yùn)大巷圍巖變形量曲線(xiàn)斜率趨于穩(wěn)定,其中頂?shù)装逡平孔畲鬄?77 mm,增幅為0.81 mm/d,兩幫移近量最大為187 mm,增幅為0.86 mm/d.由此可知,在切頂作用下,輔運(yùn)大巷圍巖變形量增幅較之切頂前大幅降低,巷道圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象得以解決。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)靜態(tài)破碎劑化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,認(rèn)為膨脹壓力是由分子間組分轉(zhuǎn)換形成的膨脹勢(shì)能而來(lái)的,并建立了多孔破碎下的膨脹破碎機(jī)理力學(xué)模型,理論得出了基于多孔疊加作用下的介質(zhì)破碎條件為膨脹拉伸壓力大于巖體抗拉強(qiáng)度時(shí),巖體產(chǎn)生裂隙;

2) 根據(jù)理論分析,認(rèn)為厚硬巖層細(xì)砂巖是加劇應(yīng)力傳遞的根本原因,因此確定切頂高度為15.74 m,鉆孔仰角為75°;

3) 基于圍巖分區(qū)理論,認(rèn)為靜態(tài)破碎條件下的圍巖破壞分區(qū)可分為壓碎區(qū)和裂隙區(qū)兩種,且得出其裂隙區(qū)半徑計(jì)算公式,綜合確定鉆孔間距為1 m;

4) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出切頂卸壓可使得應(yīng)力集中區(qū)域向巖層深部轉(zhuǎn)移,破壞應(yīng)力傳遞路徑,進(jìn)而縮小超前動(dòng)壓影響范圍,改善輔運(yùn)大巷圍巖應(yīng)力環(huán)境;

5) 通過(guò)圍巖變形量監(jiān)測(cè)分析得出,切頂后輔運(yùn)大巷的圍巖日變形量較之切頂前大幅降低,且圍巖變形曲線(xiàn)整體呈急-緩的趨勢(shì),最終趨于穩(wěn)定。