周獻惠,陳玉龍
(1.山西煤炭運銷集團保安煤業(yè)有限公司,山西 陽泉 045000;2.晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院(太原)科技公司,山西 太原 030000)
保安煤礦位于陽泉市西部,礦井設(shè)計生產(chǎn)能力1.5 Mt/a,礦井內(nèi)目前布置1 個綜采工作面,即15110綜采工作面。工作面呈南北方向布置,工作面內(nèi)布置有進風(fēng)巷、回風(fēng)巷、高抽巷、底抽巷。東邊是15108 工作面采空區(qū),西邊是15112 未采工作面,南側(cè)是井田邊界,北邊靠近15 號煤皮帶大巷。
15110 工作面回采煤層為15 號煤層,煤層平均厚度約4 m;頂板為K2 石灰?guī)r,底板為泥巖及砂質(zhì)泥巖。根據(jù)以往情況,采煤工作面在停采時,采用80 m寬的大巷保護煤柱。回采后大巷所受采動壓力仍然較大,巷道頂?shù)装逡平俊蓭鸵平烤^大,且返修工作量大。為了改善此情況,盡量減小大巷保護煤柱的寬度及大巷受采動壓力的影響,決定采用切頂卸壓的方法來實現(xiàn)[1-3]。
切頂卸壓保護大巷,即在15110 工作面進風(fēng)順槽與回風(fēng)順槽采用爆破的方式切斷工作面與大巷之間上方頂板的力學(xué)聯(lián)系,使工作面內(nèi)的采動壓力主要向上方更深的地方轉(zhuǎn)移,減小工作面采動應(yīng)力影響范圍和采動應(yīng)力大小,從而實現(xiàn)對工作面前方大巷的保護作用,減小巷道變形量,延緩巷道維修周期,為礦井長期正常與安全生產(chǎn)提供保障[4-5]。
15 號煤層工作面采用帶區(qū)式布置,大巷位于井田傾向中央,回采工作面位于大巷的南北兩側(cè),生產(chǎn)中存在以下實際問題:
1)礦井煤層埋藏深,大多在600 m 以上,地應(yīng)力大,同時井田內(nèi)構(gòu)造發(fā)育,二者共同產(chǎn)生了較大的地應(yīng)力。根據(jù)在軌道斜巷的地應(yīng)力測試,最大水平主應(yīng)力32.26 MPa,最小水平主應(yīng)力17.27 MPa。
2)煤層本身及煤層頂?shù)装鍙姸染^低,煤層堅固性系數(shù)f 為0.67,頂板抗壓強度49.3 MPa,底板抗壓強度54.4 MPa,煤與巖石的承載能力低。
3)大巷兩側(cè)的回采工作面在回采結(jié)束后對大巷產(chǎn)生很大的采動影響,礦井已采工作面所對應(yīng)范圍內(nèi)的大巷變形嚴(yán)重,長期返修。預(yù)計15110 工作面回采后依然會對所對應(yīng)部分的大巷造成嚴(yán)重破壞。
為減小礦井大巷所承受的支承壓力,防止大巷受15110 工作面采后壓力影響,所以提出對該工作面頂板采取切頂卸壓措施,從而實現(xiàn)對工作面大巷的保護。
目前,工作面頂板切頂卸壓逐漸成為減輕巷道所受動壓影響的重要技術(shù)手段,其方式主要有爆破法和水力壓裂法。
爆破法是最早發(fā)展起來的,也是世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的卸壓技術(shù),目前廣泛應(yīng)用于沖擊地壓防治、煤與瓦斯突出防治、堅硬頂板放頂?shù)阮I(lǐng)域。爆破卸壓法施工工藝相對簡單,自動化水平低,所需施工設(shè)備數(shù)量少,切頂施工成本費用低,但是對于穩(wěn)定軟巖巷道或高瓦斯礦井采用爆破切頂卸壓時,會對巷道產(chǎn)生震動破壞。
水力壓裂技術(shù)利用水壓作用使圍巖產(chǎn)生裂隙,該技術(shù)廣泛應(yīng)用于高瓦斯礦井瓦斯抽采、采空區(qū)處理等領(lǐng)域中,水力壓裂技術(shù)施工時可人工控制預(yù)裂范圍,預(yù)裂精度高,但是在施工過程中安裝設(shè)備數(shù)量多、工序復(fù)雜且施工成本費用高。
考慮爆破切頂卸壓相對較為成熟,能夠保證定向預(yù)裂效果,確定采用爆破預(yù)裂切頂卸壓。
在15110 工作面回采過程中,用煤柱應(yīng)力計在其回風(fēng)順槽監(jiān)測超前應(yīng)力,整理得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖1所示。
由圖1 可得,工作面超前應(yīng)力距煤壁小于100 m的范圍內(nèi)應(yīng)力變化較大,所以在工作面到大巷的距離在100 m 以上時就切斷頂板,此時超前應(yīng)力對大巷的影響最小,從而對大巷達到最好的保護效果。
根據(jù)15 號煤層頂?shù)装遒x存情況,通過FLAC3D模擬軟件,分別模擬切頂和不切頂條件下的應(yīng)力分布情況,針對切頂和不切頂條件下的應(yīng)力、位移分布情況進行對比分析,研究不同切頂高度下巷道變形情況,從而為切頂高度提供參考依據(jù)。
3.2.1 不切頂模擬分析
在不同停采煤柱寬度條件下,模型計算至穩(wěn)定后所得到的垂直應(yīng)力分布云圖如圖2 所示。
圖2 預(yù)留不同寬度停采煤柱圍巖內(nèi)部應(yīng)力(Pa)分布曲線圖
從圖2 中可以看出,在停采煤柱靠近采空區(qū)內(nèi)10 m 左右出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,并且隨著煤柱寬度的減小,巷道周邊圍巖應(yīng)力逐步增加。從不切頂條件下垂直應(yīng)力分布圖中可以看出,在保安煤業(yè)的地層條件下15 號煤層的原巖應(yīng)力約為20.4 MPa。在采空區(qū)側(cè)一段距離內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。
3.2.2 切頂條件下模擬結(jié)果分析
通過對巷道變形量的監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)停采煤柱寬度小于80 m 時,巷道變形量開始迅速增大,因此選擇在停采煤柱為80 m 時進行切頂卸壓模擬。本次模擬25 m、40 m 兩種切頂高度,對比不同切頂高度對緩解采空區(qū)超前應(yīng)力對大巷影響的效果,如圖3 所示。
圖3 不同切頂高度對緩解采空區(qū)超前應(yīng)力(Pa)對大巷影響的效果
從圖3 的垂直應(yīng)力分布云圖可以看出,切頂后停采煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中得到有效緩解,大巷圍巖應(yīng)力環(huán)境有所改善,其中巷道頂板壓力顯著減小。
通過測點監(jiān)測皮帶大巷與回風(fēng)大巷在不同煤柱寬度中的受力情況,隨著煤柱寬度的減小,巷道變形量逐漸增大,且發(fā)現(xiàn)回風(fēng)大巷與皮帶大巷所處位置存在高度差,巷道變形曲線不同,對比垂直應(yīng)力分布云圖發(fā)現(xiàn),采空區(qū)超前應(yīng)力在工作面以下的影響范圍要更大。
在工作面停采線煤柱內(nèi)切頂后,工作面內(nèi)的壓力會發(fā)生轉(zhuǎn)移,煤柱上方的支承壓力和液壓支架的工作阻力會增大。為避免切頂后的大面積懸頂作用于支架,因此需要保留一定的安全煤柱距離,該距離一般為15~30 m。該切頂鉆孔在15 號煤南翼回風(fēng)大巷內(nèi)施工,為了縮小鉆孔長度,切頂線需靠近南翼回風(fēng)大巷,切頂線至煤壁之間的煤柱寬度設(shè)為30 m。
在15110 進、回風(fēng)順槽與15 號煤南翼回風(fēng)大巷分別施工鉆孔,終孔位置為K4 灰?guī)r上邊界。
1)順槽切頂炮孔:在15110 進風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽各施工8 個鉆孔,頂板與回采幫各4 個。幫部最下部的鉆孔距巷道底板2 m,往上依次施工鉆孔,孔間距0.5 m,巷道頂部第1 個鉆孔距幫部0.5 m,以孔間距0.5 m 依次布孔。
2)南翼回風(fēng)大巷炮孔:在15 號煤南翼回風(fēng)大巷內(nèi)施工傾斜向上的炮孔,所有炮孔方位角為180°,開孔位置位于15 號煤南翼回風(fēng)大巷南幫,底板以上3 m。該大巷內(nèi)布置炮孔50 個,最西邊的鉆孔距15 號煤南翼回風(fēng)大巷坡度為18°44′的一段的東側(cè)末端2 m??拷叱橄锏? 個鉆孔終孔位置距高抽巷大約10 m。
3)炮孔間距:綜合考慮鉆孔施工量、裝藥密度、應(yīng)力波疊加作用、頂板巖性及聚能管結(jié)構(gòu)特征等因素,根據(jù)公式計算得爆破半徑為1.16 m,炮孔間距應(yīng)大于等于2 倍爆破半徑,即2.32 m。實際打孔過程中可能發(fā)生鉆桿偏斜及巖石裂隙發(fā)育變化,鉆孔間距留有一定的富余量,在順槽內(nèi)布置的炮孔間距取5 m,15 號煤南翼回風(fēng)大巷內(nèi)的炮孔間距取3 m。
1)封孔長度:爆破預(yù)裂鉆孔采用水炮泥封孔時封孔長度不低于鉆孔總長的1/3;同時為保證爆破不會破壞15 號煤南翼回風(fēng)大巷,封孔段長度不小于15 m。炮孔全部采用黃泥封孔,或者采用“兩堵一注”的方式封孔,封孔要封實但不得過緊,不得損傷雷管腳線。
2)裝藥結(jié)構(gòu):為了確保炮眼內(nèi)炸藥的完全引爆,每段采用單雷管引爆,一次起爆的所有雷管采用同一段別,孔內(nèi)均采用并聯(lián)連接,孔間采用串聯(lián)連接。采用2 m 長的聚能管為載體,每根聚能管即為1 段,線裝藥密度約為1.67 kg/m,采用徑向不偶合連續(xù)裝藥,每段聚能管下端裝1 個雷管,正向裝藥。
1)該切頂在15 號煤南翼回風(fēng)大巷內(nèi)與15110進、回風(fēng)順槽進行,能提前完成切頂,故切頂距回采工作面距離較遠(yuǎn),對回采工作影響較小。根據(jù)裝藥、聯(lián)線、封孔等主要工序所需時間,考慮一定的爆破安全系數(shù),一次最大起爆藥量可取150~200 kg,一次起爆的孔實施外串聯(lián)爆破。
2)進風(fēng)順槽內(nèi)的炮孔編號為1 號、2 號、…、8 號,回風(fēng)順槽內(nèi)的炮孔編號為A 號、B 號、…、H 號。進風(fēng)順槽內(nèi)的炮孔爆破順序為8 號、6 號、7 號、4 號、5 號、3 號、2 號、1 號,回風(fēng)順槽內(nèi)的炮孔爆破順序為H 號、F 號、G 號、D 號、E 號、C 號、B 號、A 號。15 號煤南翼回風(fēng)大巷的炮孔爆破可由進風(fēng)順槽向回風(fēng)順槽進行,也可由回風(fēng)順槽向進風(fēng)順槽進行。
截至2021 年12 月3 日,15110 綜采工作面已回采結(jié)束,停采線與大巷之間預(yù)留保安煤柱寬度為80 m,通過對工作面采取爆破切頂卸壓后,工作面回采應(yīng)力通過回撤通道提前釋放,削弱了應(yīng)力對保安煤柱及大巷圍巖產(chǎn)生的破壞作用,通過后期觀察發(fā)現(xiàn),工作面回采后大巷圍巖未出現(xiàn)頂板破碎、幫部垮落、底鼓等現(xiàn)象。實際應(yīng)用效果表明,采用切頂卸壓技術(shù)能夠?qū)Υ笙飮鷰r起到保護作用,具有可行性。