田文兵
(沁和能源集團有限公司,山西 晉城 048200)
在大型礦井中,特厚煤層的大采高開采引起的礦壓顯現(xiàn)問題給礦井安全和高效開采帶來了巨大的困難。因此,研究大采高厚堅硬頂板巷道定向爆破切頂卸壓技術(shù)在大型煤礦中的應(yīng)用具有重要的理論意義和實際價值。
沁和能源集團端氏煤礦為典型的厚層堅硬頂板地質(zhì)條件,在生產(chǎn)過程中堅硬頂板滯后斷裂,容易形成采空區(qū)懸板等動力災(zāi)害。另外,采空區(qū)遺留煤柱及火成巖和含礫砂巖頂板賦存條件,易導(dǎo)致特厚煤層開采中的強礦壓顯現(xiàn),影響生產(chǎn)安全性。針對端氏煤礦回采巷道的堅硬頂板,研發(fā)超高壓水力切頂技術(shù),實現(xiàn)對堅硬頂板的定向水力切縫,并輔以靜態(tài)膨脹技術(shù)增加切縫深度,達(dá)到對回采巷道的堅硬頂板切頂卸壓、保證采面高效安全生產(chǎn)的目的。但是,超高壓水力切頂技術(shù)施工難度大,成本較高,深孔定向爆破切頂技術(shù)具有施工成本低、施工設(shè)備簡單、可定向等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。
以端氏煤礦3113 工作面為工程背景,針對3113 回風(fēng)巷存在初次垮落步距大、巷道變形大、支護(hù)難度大等問題,對其實施爆破切頂卸壓,確定了切頂角度、切頂卸壓深度、裝藥段長度、封孔段長度、孔間距等爆破參數(shù),并探究定向爆破切頂卸壓過程及效果。
沁和能源集團有限公司端氏煤礦位于山西省沁水縣端氏鎮(zhèn),井田面積9.403 1 km2,可采儲量3 576.8 萬t,生產(chǎn)能力120 萬t/a。礦井采用斜井開拓方式開采3 號煤層,投產(chǎn)初期布置3 個井筒,即原主斜井、原副斜井和原回風(fēng)立井,生產(chǎn)后期補打一個回風(fēng)立井。主斜井寬4.20 m,斜長577 m,承擔(dān)主提升和進(jìn)風(fēng)任務(wù),兼作安全出口;副斜井寬4.10 m,斜長622 m,擔(dān)負(fù)全礦井的輔助提升和進(jìn)風(fēng)任務(wù),兼作安全出口;回風(fēng)立井直徑4.00 m,垂深304.3 m,擔(dān)負(fù)礦井初期回風(fēng)任務(wù)和后期進(jìn)風(fēng)任務(wù);后期增補回風(fēng)立井直徑6.00 m,垂深490 m,承擔(dān)后期回風(fēng)任務(wù)。
端氏煤礦3113 工作面位于一盤區(qū),主要開采3號煤層,井下標(biāo)高164.9~210.57 m,平均埋深603 m,煤層平均厚度為6.1 m,煤層平均傾角為5°。直接頂為2.89 m 厚的砂質(zhì)泥巖,灰黑色,薄層狀,巖心完整,f=4.6;基本頂為7 m 厚的細(xì)粒砂巖/砂質(zhì)泥巖,淺灰色,中厚層狀,成分以石英、長石為主,含泥質(zhì)條帶,f=7.8,為堅硬類巖石;直接底為9.38 m 厚的砂質(zhì)泥巖/粉砂巖,灰色及深灰色,含植物化石,水平層理。
3113 回風(fēng)巷斷面為矩形,凈寬5.5 m,凈高3.5 m,巷長1155 m,沿煤層頂板掘進(jìn),采用“錨索+鋼帶+錨桿”聯(lián)合支護(hù),支護(hù)參數(shù)如圖1。錨索規(guī)格為Ф17.8 mm×6200 mm,托盤為300 mm×300 mm×11 mm,MSZ23/55 型 樹 脂 錨 固;W 鋼 帶500 mm ×100 mm ×18 mm,厚度3~5 mm,寬度180~320 mm;頂錨桿Ф20 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿,錨桿排距為900 mm,間距為800 mm;幫錨桿頂部Ф20 mm×2400 mm,排距為900 mm,間距為900 mm;其余為18 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿[1]。
圖1 3113 回風(fēng)巷斷面支護(hù)(mm)
3113 工作面回風(fēng)巷采用高強度錨桿與錨索聯(lián)合支護(hù),但是在生產(chǎn)過程中整體支護(hù)效果不佳,無法有效控制巷道圍巖的強烈變形。巷道在工作面回采時出現(xiàn)失穩(wěn),出現(xiàn)大的變形破壞,煤柱及煤壁幫向巷道內(nèi)擠壓凸出,凸出長度分別可達(dá)465 mm、405 mm,引發(fā)兩幫擠壓流動失穩(wěn),巷道不對稱破壞現(xiàn)象嚴(yán)重,頂板變形大下沉嚴(yán)重,W 鋼帶破壞及拉斷現(xiàn)象嚴(yán)重,嚴(yán)重影響工作面開采安全,必須要針對性采取改進(jìn)措施,保證煤礦開采的安全進(jìn)行。大采高厚堅硬頂板爆破切頂卸壓技術(shù)是一種利用爆破能量切割和破碎頂板的技術(shù)。通過合理的爆破設(shè)計和參數(shù)控制,使爆炸能量集中在頂板上,實現(xiàn)對頂板的切割和破碎,以減輕頂板的壓力和提高采空率[2]。
大采高堅硬頂板爆破切頂卸壓示意圖如圖2。從圖中可知,當(dāng)大采高堅硬頂板基本頂斷裂后變成A、B 兩塊體,斷裂后的塊體B 搭落在煤柱上方,B 塊體組回轉(zhuǎn)下沉過程發(fā)生擠壓,導(dǎo)致巷道發(fā)生嚴(yán)重變形。確定預(yù)爆破切頂位置,對靠近采空區(qū)煤柱側(cè)實施爆破切頂,頂板斷裂后的B 塊體會沿預(yù)裂切頂線自動切落成B1和B2部分。B1塊體在煤壁及頂板巖層支撐下減輕煤柱應(yīng)力集中,B2塊體滑落失穩(wěn)減輕煤柱承載基本頂質(zhì)量,B1塊體無旋轉(zhuǎn)下沉沒有產(chǎn)生對煤柱擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力集中,減少煤柱所受載荷[3]。
圖2 爆破切頂卸壓斷裂結(jié)構(gòu)示意圖
堅硬頂板實施爆破切頂卸壓后,可有效減小工作面基本頂初次來壓步距和周期來壓步距,減弱了初次來壓強度和周期來壓強度,也有利于巷道圍巖變形控制。
端氏煤礦為大采高厚層堅硬難冒頂板條件,隨著進(jìn)入下部石炭系開采以來,特厚煤層(14~20 m)綜放開采、大煤柱(38 m)條件下,臨空動壓開采遠(yuǎn)場結(jié)構(gòu)失穩(wěn)強烈,回轉(zhuǎn)運動對臨空巷道產(chǎn)生沿巷道斷面徑向擠壓力,支架安全閥頻繁開啟,工作面超前150 m 范圍內(nèi)臨空側(cè)巷道出現(xiàn)變形、破壞[4],多種措施的預(yù)防治理效果都不太理想。
根據(jù)特厚煤層巖層運動規(guī)律,遠(yuǎn)場關(guān)鍵層的破斷對于臨空巷道的變形有著巨大的影響,是造成臨空側(cè)巷道變形的主要原因。因此,只有遠(yuǎn)場配合定向預(yù)裂卸壓,才能有效抑制強礦壓顯現(xiàn),并解決因頂板大面積破斷造成瓦斯不均衡涌出及瓦斯超限的難題[5]。
大采高厚堅硬頂板爆破切頂卸壓技術(shù)適用于煤礦中存在高厚頂板問題的工作面。從端氏煤礦地質(zhì)條件、煤層厚度、開采方法等因素考慮,該技術(shù)在一定程度上可以改善頂板穩(wěn)定性、降低頂板壓力,并提高開采效果和安全性。
為了進(jìn)一步驗證大采高厚堅硬頂板爆破切頂卸壓技術(shù)的有效性,進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,介紹了數(shù)值模擬的方法和原理,包括模擬軟件的選擇和模型建立的步驟;然后詳細(xì)描述了模型的參數(shù)設(shè)置和邊界條件等;最后分析模擬結(jié)果,并與實際應(yīng)用效果進(jìn)行對比和驗證,以驗證技術(shù)的可行性和優(yōu)勢。為有效解決端氏煤礦3113 大采高厚堅硬頂板巷道圍巖變形控制問題,利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同爆破切頂角度下覆巖垮落形態(tài)和煤柱應(yīng)力大小進(jìn)行研究。
根據(jù)端氏煤礦工程地質(zhì)條件,利用FLAC3D建立基本計算模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究[6]。選用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型,模型尺寸280 m×220 m。對模型表面施加均布載荷,形成應(yīng)力邊界條件,左、右和下表面均為零位移邊界條件。塊體煤巖和節(jié)理面煤巖力學(xué)參數(shù)見表1、表2。
表2 節(jié)理面煤巖力學(xué)參數(shù)
針對3113 工作面現(xiàn)場的實際情況,設(shè)置了6 組數(shù)據(jù)進(jìn)行FLAC3D模擬試驗[7],6 組模擬數(shù)據(jù)分別為未切頂和切頂30°、45°、60°、75°、90°。主要是模擬6 種狀態(tài)下的覆巖垮落形態(tài)情況以及煤柱應(yīng)力大小情況。該模擬結(jié)果可為3113 工作面現(xiàn)場定向爆破切頂卸壓的實施提供技術(shù)指導(dǎo)。
3.2.1 覆巖垮落形態(tài)分析
模擬定向爆破切頂卸壓,在不同切頂角度下(未切頂和切頂30°、45°、60°、75°、90°)覆巖垮落形態(tài)的結(jié)果如下:1)與未切頂對比分析可知,切頂(30°、45°、60°、75°、90°)狀態(tài)下巷道煤柱幫變形明顯變小,巷道變形表現(xiàn)為對稱性;而在未切頂下煤柱幫變形非常明顯的大于實體煤幫,巷道變形表現(xiàn)出不對稱性。2)當(dāng)切頂角度從30°增大至90°過程中,隨著切頂角度的增大,基本頂破斷垮落效果呈現(xiàn)為先變好后變差趨勢。當(dāng)切頂角度為60°時,垮落量充分且巷道煤柱幫變形量較小,此時切頂卸壓最佳。
3.2.2 煤柱應(yīng)力分析
模擬爆破切頂卸壓,在不同切頂角度下(未切頂和切頂30°、45°、60°、75°、90°)6 組不同試驗時的煤柱應(yīng)力集中系數(shù)分別為1.91、1.88、1.76、1.55、1.73、1.83,煤柱應(yīng)力集中系數(shù)呈現(xiàn)為先減小后增大趨勢。當(dāng)切頂角度為60°時,煤柱應(yīng)力集中系數(shù)最小為1.55,此時對應(yīng)的應(yīng)力峰值為16.4 MPa;對比未切頂時的煤柱應(yīng)力集中系數(shù)為1.87,對應(yīng)的應(yīng)力峰值為20.8 MPa,應(yīng)力峰值對比降低了23.1%,切頂效果較好。
綜上,從模擬分析結(jié)果可知,3113 大采高厚堅硬頂板實施定向爆破切頂最佳切頂角度可確定為60°,切頂效果最佳。
根據(jù)模擬研究結(jié)果,切頂角度60°,巷道上方至基本頂巖層垂高23.1 m,確定切頂卸壓深度為26.9 m,裝藥段長度14.7 m,封孔段長度12.2 m,孔間距0.5 m。3113 工作面爆破切頂鉆孔布置如圖3。
圖3 3113 工作面爆破切頂鉆孔布置示意圖(m)
現(xiàn)場采用BTC-1500 型雙向爆破聚能管(外徑42 mm)裝藥[8],單根聚能管長度2 m,共10 根,爆破采用二級煤礦許用水膠炸藥,炸藥規(guī)格Ф27 mm×350 mm/卷,單孔裝藥量240 kg,炮泥封孔,長度12.2 m。裝藥流程如圖4。
圖4 3113 工作面爆破切頂裝藥流程示意圖
4.3.1 爆破鉆孔窺視分析
為掌握爆破后炮孔附近巖體中爆破孔及導(dǎo)向孔的裂隙發(fā)育程度和爆破效果,采用YTJ20 型巖層探測記錄儀對(1#、2#)2 個爆破孔、(3#、4#)2 個導(dǎo)向孔及其圍巖裂紋發(fā)育進(jìn)行記錄。
通過對2 個導(dǎo)向孔和2 個爆破孔的窺視圖像分析,實施爆破切頂卸壓后的鉆孔規(guī)律如下:1)爆破后孔壁上裂紋顯著增多,出現(xiàn)明顯的縱向裂紋,方向與切割走向切縫方向一致;另外還觀察到存在縱向和環(huán)向裂紋交織情況,并伴隨有塌孔發(fā)生,巖石松動破碎。2)爆破后,在導(dǎo)向孔孔壁上也觀察到明顯裂紋,方向與切割走向切縫方向一致。在3113 工作面實施定向爆破切頂卸壓施工效果理想。
4.3.2 巷道變形監(jiān)測效果分析
實施爆破切頂卸壓后,在3113 膠帶順槽設(shè)置3個觀測點,對巷道表面頂板下沉、底鼓、幫部巷內(nèi)移近變形、墻體巷內(nèi)移近變形進(jìn)行觀測。相鄰兩測點間距80 m,超前工作面80 m 布置1#測站測點。巷道變形觀測結(jié)果如圖5。
圖5 切頂卸壓后3113 回風(fēng)巷表面變形觀測結(jié)果
從圖5 數(shù)據(jù)可知,煤柱幫、頂板、煤壁、底板的最大變形量分別為169.4 mm、122.5 mm、113.3 mm、74.5 mm,巷道圍巖變形量整體較小,巷道完整性較好。對比爆破切頂卸壓前,巷道變形量大幅度降低,巷道圍巖得到有效控制。
對大采高厚堅硬頂板實施爆破切頂卸壓及端氏煤礦3113 工作面進(jìn)行定向爆破切頂卸壓的可能性進(jìn)行了分析,以端氏煤礦3113 工作面為研究對象進(jìn)行爆破切頂卸壓應(yīng)用研究。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件確定定向爆破切頂卸壓的最佳切頂角度60°,在60°實施爆破切頂卸壓后應(yīng)力集中系數(shù)減小為1.55,對應(yīng)的應(yīng)力峰值降低至16.4 MPa,應(yīng)力峰值降低比例達(dá)23.1%。對3113 工作面定向爆破施工參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計,闡述爆破切頂設(shè)計方案與現(xiàn)場施工方案。鉆孔窺視結(jié)果表明:爆破后孔壁上的裂紋顯著增多,與預(yù)期一致。巷道表面位移觀測結(jié)果表明:煤柱幫、頂板、煤壁、底板最大變形量分別為169.4 mm、122.5 mm、113.3 mm、74.5 mm,巷道圍巖變形量整體較小,巷道完整性好,巷道圍巖得到有效控制。