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特厚煤层小煤柱综放工作面切顶护巷技术研究

2025-03-09 11 上传者：管理员

摘要：针对永定庄矿8102综放工作面5102巷小煤柱侧回采过程中巷道变形严重、维护成本高的问题，提出了在5102巷采用高强水胶炸药配合“V”型聚能管采用液爆压裂方式对巷道进行超前卸压护巷的技术方案，根据8102工作面围岩应力情况，给出了爆破切顶预裂相关参数，运用顶板离层仪实时监测和巷道表面位移观测法对切顶前后巷道的情况进行了观测。实践表明，该方法的应用有效地改善了巷道围岩应力环境，明显减小了巷道变形量，保证了8102工作面的正常生产。

关键词：
“V”型聚能管
位移观测
煤炭资源开采
爆破切顶
超前卸压
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随着煤矿综合机械化作业程度､开采规模以及开采强度的不断提高,煤炭资源开采尤其是特厚煤层､小煤柱开采过程中伴生的强矿压现象越来越显著,同时,由于大空间采场覆岩活动的矿压运动规律比较复杂,受采空区空间扰动,复合工作面受采动影响的范围也越来越广｡普通的采用强度加强法进行巷道维护､保证围岩稳定的方法,已经无法破解特厚煤层强矿压造成的巷道大变形破坏的难题,特厚煤层小煤柱工作面回采过程中巷道大变形破坏,已经成为制约煤矿井下安全高效开采面临的重大挑战｡而如何从改善围岩应力场的分布入手,通过卸压[1]转移,改善围岩的应力环境是亟需解决的问题｡目前运用比较广的有水力致裂､聚能爆破､链臂锯切顶[2]3种卸压方式｡从现有的卸压控制技术来看,爆破卸压[3]是一项很有发展前景的技术,它不仅相对施工成本低,施工设备简单,而且对地层的适应性强,尤其适合高强坚硬岩层深孔爆破｡

1、工程背景

8102工作面开采的为3-5#煤层,煤层厚度8.32~27.67m,平均14.1m,采高3.6m,顶煤厚度10.5m,密度1.47t/m3｡工作面可采长度750m,倾向长度221m｡煤层含夹矸2~20层,顶板岩性为炭质泥岩､高岭质泥岩,底板为炭质泥岩｡煤层结构为复杂结构,煤层倾角1°~3°,平均倾角2°｡工作面东北部受火成岩侵入影响较大,侵入不规律,由于煌斑岩的不规则侵入,使煤层上部与巷道顶板呈疏松易碎状态,给正常回采与支护管理造成困难｡8102工作面南部为8103已采工作面,煤柱为5m,北部､西部为实体,东部为3-5#层北盘区系统巷道｡工作面回采期间受小煤柱临空压力的影响,5102巷道超前支护段顶板下沉､底板鼓起､变形严重,通风断面缩窄,人员通行困难｡

针对永定庄矿8102工作面5102巷小煤柱巷道变形问题,为了保障工作面回采过程中巷道的正常使用,提出了爆破切顶护巷技术方案,切断临近工作面采空区顶板相连关系,降低临近8103采空区顶板运动活化对煤柱承载的影响,减小8102工作面采动影响带来的附加高应力,降低超前支承压力区矿压显现强度和工作面本身端头悬板造成的矿压影响｡改善巷道围岩应力环境,减小巷道变形量,从而有效保障8102工作面回采期间的安全｡8102工作面平面图,如图1所示｡

图18102工作面平面图

2、耦合装药深孔聚能爆破切顶卸压原理

深孔聚能爆破切顶卸压是由光面爆破演变而来,利用聚能管采用耦合或者不耦合装药的方式进行液压爆破｡耦合对称装药能使爆炸冲击波在双向聚能槽方向精准碰撞,发挥气楔定向割缝效果[4],实现对巷道的定向切顶,有效地减弱或者切断上覆岩层与工作面巷道顶板之间的应力传递路径,提高巷道围岩的自身承载能力,减轻工作面回采期间顶板对巷道的压力,减小巷道变形量[5],起到对巷道的保护作用,巷道爆破切顶原理,如图2所示｡

图2巷道爆破切顶卸压原理

深孔爆破条件下,非聚能装药､常规聚能装药､耦合聚能装药爆破定向致裂效果,如图3所示｡

图3不同装药方式下的爆破致裂效果

3、爆破切顶卸压参数设计

3.1聚能管的选择

目前应用比较广泛的有“O”型､“D”型､“V”型聚能管[6],根据永定庄矿目前具备的爆破条件,能够选用外径为φ50mm或φ64mm的“V”型聚能管｡高压爆轰产物首先沿聚能管聚能穴方向冲击孔壁围岩,冲击波撞击钻孔壁面在围岩内激起相应强度的岩石冲击波,在钻孔壁面上将产生具有一定尺寸的塑性压缩核,进而在钻孔周边形成垂向初始裂隙,“V”型聚能管致裂模型,如图4所示｡

4“V”型聚能管致裂模型

3.2炮孔直径

炮孔直径主要是由煤岩体的物理力学特性､炮孔深度､炸药性能､钻孔机具能力､装药困难程度及封孔情况等确定的｡炮孔直径较小时,所装药量较少,形成的破裂区半径较小,难以达到理想的爆破效果;炮孔直径较大时,钻孔过程中容易卡钻､塌孔,钻孔施工难度大,而且封孔效果较难保证,容易出现冲孔现象｡因此,深孔爆破[7]切顶的炮孔直径一般在φ42~φ65mm｡

根据8102工作面顶板致裂目标层位深度,考虑深孔爆破的应力夹持作用､煤矿炸药的爆炸威力以及煤矿钻机的钻杆､钻头尺寸,选定深孔爆破孔径为φ70mm｡

3.3炮孔间距

为确保工作面安全生产,准确控制端头顶板安全垮距(小于周期来压步距),是保证工作面安全生产以及确定炮孔间距的重要依据,首先计算分析8102工作面坚硬顶板的垮落步距｡

运用离散元数值模拟软件分析8102工作面回采过程,得到采场覆岩结构变形与断裂形态｡采取相近案例(采高类似)对比分析的方法,得到当8102工作面开挖到58m时,基本顶发生初次破断,导致基本顶上方出现的离层间裂隙增大,此时基本顶还未出现回转运动｡根据基本顶发生初次破断诱发的采场围岩应力显现特征,初步判断工作面初次来压步距为58m,当工作面开挖至82m时,发生第1次周期来压,基本顶上方岩层离层明显,判定周期来压步距为24m｡工作面周期来压模拟,如图5所示｡

结合基本顶岩层垮落步距分析,预计8102工作面周期来压步距为20m｡工作面端头顶板三角区受边界效应影响,顶板难以垮断,为了确保工作面安全生产,及时切断顶板应力传递路径,保证端头区采场卸压充分,因此,确定在5102巷内沿煤层推进方向每间隔8m实施1组卸压钻孔｡

图5工作面顶板周期来压

同时从5102巷道临空侧采空区顶板切顶卸压角度考虑,及时切落巷道采空侧顶板,阻隔临近采空区顶板的牵连运动和附加载荷[8],对于降低巷道超前段顶板受工作面采动的活化影响较为有利｡鉴于深孔爆破有效致裂范围为炮孔半径的10~15倍,据此得到单孔致裂扩展长度为0.3~0.5m(φ70mm孔径),考虑炮孔间的相互导向作用,同时兼顾打钻工程量,在8m间距放顶孔中间段靠近采空侧补打3个切顶孔,间距2m｡

3.4炮孔的深度和倾角

(1)炮孔深度

炮孔深度主要由切顶爆破目标层的高度所决定,永定庄矿8102工作面煤层平均厚度20m,开采厚度3.6m｡考虑特厚煤层端部放煤不充分,顶板冒落矸石碎胀率偏低[9],矸石碎胀系数按照1.2~1.3计算,确定特厚煤层两端头放煤不充分范围顶板切顶孔垂深

据此,理论分析得到的炮孔深度为18m,但是综合考虑特厚煤层开采及覆岩综合柱状分布特征,为确保巷道围岩卸压充分,保证覆岩基本顶的平面切落,覆岩实际切落高度目标层位为煤层上方12.5m厚的细粒砂岩层,加上顶煤自身厚度,钻孔总深度保持在40m左右｡

爆破前后工作面覆岩结构,如图6所示｡

图6特厚煤层工作面端头覆岩结构

(2)炮孔角度

煤层顶板切落角度大小关系着采空区冒落矸石支撑作用的强度,切顶角度较大,巷道内钻机摆设空间受限,钻孔开口位置距煤帮较远,且在工作面采动影响下顶板结构稳定性差;考虑砂岩顶板天然断裂角度一般在65°~75°,此时若切顶角度较小,则切顶卸压作业失去现实意义｡根据现场实践效果,将顶板切落角设置为75°~80°,这里取80°｡

3.5钻孔布设

为提高沿空巷道稳定性,使预留小煤柱充分位于巷旁侧向支承压力的低应力区,在8102工作面本煤层开采过程中,超前工作面在5102风巷内开展深孔爆破切顶卸压作业｡永定庄煤矿8102工作面特厚煤层5102风巷爆破切顶卸压钻孔布置,如图7所示｡

图78102工作面5102风巷爆破切顶卸压钻孔布置(单位:m)

考虑炮孔间距为2m,爆破孔深部裂缝发育不明显,孔间宏观缝隙贯通度较低,据此在5102巷道顶板深孔爆破中顺序放炮,并始终超前工作面煤壁100m外执行｡

8102工作面5102风巷内设计爆破切顶炮孔位于巷道正､副帮､巷道中位以及临空侧巷道肩窝｡采用钻机沿回采巷道肩窝施工,钻孔深度40m,与巷道轴向垂直,两侧仰角均保持80°,钻孔直径φ70mm,正帮侧与巷道中位炮孔间距设置为8m,副帮侧炮孔间距设置为2m,单孔装药长度20m,装药量20kg,封孔15m｡

4、效果分析

4.1顶板离层仪实时监测

利用顶板离层仪对5102巷道顶板变形情况进行实时观测,在未进行爆破切顶前,5102巷道矿压显现强烈,顶板下沉､底鼓严重[10],最大下沉量达到0.62m,巷高仅为2.2m｡在5102顺槽进行爆破切顶后,巷道顶板受采动影响下,虽有所下沉,但最大下沉量仅为0.3m,较之前已大大减小,巷高最低为3.2m,巷道宽度基本没有发生变化,底鼓现象也未再出现;支护失效､片帮的现象也明显减少,证明了爆破切顶对巷道围岩变形控制有很好的正向作用｡

4.2巷道表面位移监测法

在致裂区段内的顶板､帮部布置了固定基点对巷道表面位移情况进行观测,统计周期时间内各对应基点的距离,以此来判断顶底板的位移量｡爆破切顶后巷道变形与之前相比,巷道表面位移量减少了近1/2,存在的支护失效､单体柱折损现象明显减少,爆破切顶达到了预期效果｡爆破切顶前后巷道支护情况,如图8所示｡

5、结语

(1)通过数值模拟和理论分析的方法,确定了8102工作面周期来压步距为20m,爆破切顶炮孔间距为8m,孔深40m左右,炮孔角度为80°,超前工作面煤壁100m进行切顶｡

图8爆破切顶前后巷道支护情况

(2)经过现场工业试验,5102巷道的顶板下沉量较切顶前缩小1/2,巷道围岩变形得到控制,爆破切顶卸压对巷道起到了很好的保护作用｡

(3)永定庄矿特厚小煤柱工作面深孔聚能爆破切顶卸压方案的成功实施,大幅度减弱了工作面回采期间对巷道的矿压影响,为永定庄矿其他小煤柱工作面回采过程中巷道围岩控制提供了成功范例｡

参考文献:

[1]张永平,胡磊,朱前进.厚煤层综放面切顶卸压及停采位置优化研究[J].煤炭科技,2023,44(4):7-12,17.

[2]苏铭,姚强岭,刘梓昌,等.链臂锯切顶卸压小煤柱留巷开采围岩稳定性分析[J].中国矿业,2021,30(7):146-151.

[3]魏红印,马智博,杨东山,等.厚煤层坚硬顶板工作面初采卸压技术研究[J].煤炭技术,2021,40(8):18-22.

[4]赵志鹏,欧阳烽,何富连,等.切顶沿空留巷双向聚能爆破关键参数研究[J].煤矿安全,2022,53(2):226-233.