顾桥1311(1)工作面系统大巷高应力阻隔切顶护巷工艺及工程实践

张 瑞,孙兴平,周 萌,孙 涛,陈建本,杨敬轩

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司 顾桥煤矿, 安徽 淮南 232033;2.中国矿业大学 矿业工程学院, 江苏 徐州 221116)

矿井系统大巷服务年限一般较长,承担着整个采区的材料运输、行人等作用,系统大巷的稳定控制对于矿井的安全生产至关重要。在煤炭开采过程中,为了保护服务于整个矿井开采期间的巷道稳定,常需要留设保护煤柱[1-4]. 在工作面接近停采线过程中,当留设的保护煤柱较窄时,顶板压力会对工作面前方的被保护大巷产生较大影响[5-6],众多学者采用深孔爆破、水力压裂等方法阻断采空区与系统大巷间的应力传递路径,取得了良好的护巷效果[7-9]. 但对于超百米保护煤柱条件下的系统大巷变形机理及控制却鲜有研究。根据淮南矿业集团顾桥煤矿北二采区1312(1)工作面的推采收作情况,观测到位于工作面停采线前方100 m左右的系统大巷发生严重变形,巷道围岩局部破坏,增加了大巷维护工作量,影响了矿井安全高效生产。分析指出,1312(1)工作面停采后的基本顶回转运动是诱发巷道围岩大变形的主要原因。据此,提出了工作面超前切顶高应力阻隔技术,通过在已有联巷进行深孔爆破,切断覆岩应力传递路径,降低停采工作面覆岩悬板的附加力效应,保护工作面停采位置前方的系统大巷。

根据切顶工艺实施难易程度以及对地质条件的适用性,深孔爆破切顶技术应用更加广泛[10-11].为此以顾桥煤矿1311(1)工作面停采线近区的系统大巷保护为目标,在超前工作面联巷内开展深孔爆破切顶护巷技术研究,分析工作面覆岩结构及其矿压作用机理,确定覆岩致裂合理目标层位,形成工作面超前深孔爆破切顶护巷技术体系,保障顾桥煤矿北二采区系统大巷的稳定。

1 工作面开采概况

顾桥煤矿1311(1)工作面位于北二采区,西近北二采区11-2煤层防水煤柱线,东到北二采区系统大巷,南邻F87断层,北为已经回采结束的1312(1)工作面,平面布置图见图1. 工作面回采标高-549.1～-741.6 m,走向长度1 240 m变至550 m,工作面倾斜宽280 m变至135 m. 工作面11-2煤层赋存稳定,局部含1层泥岩夹矸,煤层平均厚度2.8 m,平均倾角5°,受构造影响煤层倾角变化大。1311(1)工作面煤岩赋存情况见表1.

图1 工作面平面布置图

表1 工作面煤岩赋存情况表

1311(1)工作面被保护北二系统巷道包括:11-2盘区顶板瓦斯治理巷、13-1盘区煤层回风巷、13-1盘区底板轨道巷、13-1底板回风大巷、11-2煤层回风大巷5条工作面上方巷道,以及11-2盘区底板轨道巷、11-2盘区轨胶一联巷、11-2盘区底板胶带机巷3条工作面下方巷道,见图2.

图2 被保护巷道与工作面停采空间关系图

根据1311(1)工作面邻近的1312(1)工作面停采情况,工作面停采距北二采区系统大巷距离超过100 m,但被保护大巷变形依然较大,普遍超过1.0 m,严重影响了巷道正常使用。

鉴于北二采区大巷服务年限长,为降低大巷一侧工作面采动影响,利用已有联巷做爆破工艺巷进行爆破切顶,一方面基于联巷本身的卸压作用,充分发挥巷道卸压功能,降低采场围岩受力环境;另一方面,在联巷内实施覆岩深孔爆破切顶,切断覆岩高应力传递路径,阻隔煤层开采引起的高位顶板运移附加牵引作用,实现工作面覆岩“高-低”位纵向卸压,取得覆岩传载路径上的横向阻断效果,降低工作面采动对被保护大巷的影响。

2 覆岩切顶目标层确定

工作面停采后的煤体受力主要来源于3方面:1) 覆岩自重,该因素难以主动控制。2) 爆破联巷与停采线之间的煤柱,处于采空区拱脚位置,拱脚支承压力由煤柱承担,联巷本身起到一定卸压作用。3) 工作面悬板附加作用力,停采煤柱处于悬板支点位置,附加作用力大,是切顶卸压的主要控制对象。

2.1 高应力阻隔原理

煤层覆岩自重及工作面停采线与被保护大巷间的煤柱静载是自然因素,人为控制难度大。因此,卸压控制的主要对象是工作面采后的覆岩悬板,见图3.

图3 停采工作面覆岩悬板结构图

由图3(a)可见,工作面停采线与被保护大巷间的煤柱除承载覆岩自重外,靠近工作面采空区侧及联巷位置的巷道围岩应力分布独具特点:工作面采空区侧煤柱在支承压力作用下呈现弹塑性受力变形特点;联巷大空间能起到一定的卸压效果,巷道近区围岩应力一定程度上有所降低。

工作面停采煤柱覆岩分层内存在类似于工作面停采煤柱上的支承压力分布特征,见图3(b). 受采空区覆岩悬板影响,覆岩下位分层始终处于上位分层悬板支点的高应力作用范围,下位分层支承压力明显增高,高应力超前影响距离显著增大。据此,提出在工作面联巷内实施爆破切顶作业,阻隔停采煤柱高应力的横向传递路径,同时在高度上控制高位覆岩运移的影响。

2.2 致裂目标层位确定

1) 基于覆岩结构的理论求解。

工作面尺度有限,考虑开采扰动范围内的顶板岩性变化不大,工作面采空区顶板断裂角基本一致。工作面自切眼位置推进,走向长度尺寸逐步增大,采空区空间范围增加,覆岩破断高度向上延展,直至顶板断裂转向临界层。在煤层推进长度小于工作面倾向长度(Lz

顶板断裂转向临界层高度大于采空区冒落高度。否则,将不存在顶板断裂转向临界层。据此,计算煤层覆岩顶板横向断裂区中的规则垮落带厚度hz. 考虑矩形板的最小临界破断尺寸,得到顶板横向断裂区的规则垮落带厚度为[1]:

(1)

式中:hz为采空区规则垮落带厚度,m;L为工作面倾向长度,m;bmin为矩形板临界破断尺寸,m;φ为覆岩破断角,(°);h为煤层开采厚度,m;k为矸石碎涨系数。

采空区顶板横向断裂区规则垮落带中的矸石块体间相互咬合,沿煤层推进方向的块体特征尺寸普遍小于沿工作面倾向的断裂特征尺寸。根据固支板边界条件,得到的矩形板临界破断尺寸为:

(2)

式中:hb为矩形板厚度,m;σt为矩形板抗拉强度,MPa;q为矩形板载荷,kN/m2.

煤层砂质岩性顶板,结构完整,岩性坚硬,抗拉强度取1.5～7.6 MPa. 取临界转向层自重作为顶板临界断裂条件下的最小载荷,分析顶板断裂转向临界层厚度取5～40 m,得到的顶板断裂转向临界层特征尺寸关系见图4.

图4 矩形板长边最小尺寸图

考虑工程岩体强度折损,顶板抗拉强度取3.5 MPa,顶板厚度在11.0 m左右时,根据图4可知,顶板短边垮断尺寸在90 m左右,工作面倾向长度为135 m,顶板平均垮落角按照70°计算,采空区矸石碎涨系数取1.25条件下,由式(1)得到的顶板扰动高度在50 m左右。

2) 导水裂隙带高度实测。

前述理论分析主要基于顶板断裂转向假设前提,实际开采中的顶板断裂是否转向还要取决于煤层自身开采厚度。据此,引用矿井导水裂隙带实测数据,验证覆岩扰动范围。根据矿井地质勘探,钻孔实际钻探至582.86 m,循环液第一次出现全部漏失,漏水量大于15 m3/h,表明探水钻孔揭露导水裂隙带,导水裂隙带从煤层顶板631 m至582.56 m,裂隙带高度为48.14 m.

综上,根据煤层采后的顶板扰动高度理论分析及现场导水裂隙带高度实测数据,判定工作面开采后的覆岩扰动高度在48～50 m. 结合工作面综合柱状图岩性赋存特征,确定11 m厚的上覆细砂岩层断裂运移对煤体应力分布具有重要影响。为降低工作面覆岩采空侧悬板作用,确定顶板致裂目标层高度为40 m.

3) 基于UDEC预裂高度验证。

采用数值模拟的方法分析致裂高度对系统大巷卸压效果的影响。基于UDEC离散元软件,建立二维数值模型。选取距工作面收作线最近的11-2盘区底板胶带机巷空间参数,模拟切顶高度分别为20 m、40 m,切顶角度均为90°. 当模型初始平衡后进行开挖,运算20万步,得到不同切顶高度条件对应的岩层垂直应力云图,见图5.

图5 不同切顶高度对应的垂直应力云图

从图5明显看出,不同切顶高度对被保护系统大巷的应力集中程度存在明显差异。切顶高度由20 m增加至40 m时,被保护系统大巷覆岩应力集中程度明显降低,联巷内提前切顶可有效改善巷道围岩应力环境。

根据前述分析确定的覆岩控制目标层位为11 m厚的细砂岩层,层位高度为40 m,切顶孔倾斜钻设,仰角85°,倾向被保护大巷。工作面爆破联巷相对位置及切顶孔布置剖面见图6.

图6 工作面爆破联巷及切顶孔布置图

3 爆破切顶工程实践

3.1 爆破参数与器材

爆破切顶高度为40 m;结合现场钻机条件,炮孔直径选择为75 mm;依据爆破致裂有效范围,确定炮孔间距为2.0 m;配备直径为63 mm的筒装水胶炸药进行深孔预裂。根据《煤矿安全规程》规定,深孔爆破封孔长度至少为钻孔长度的1/3,即封孔长度15 m,装药长度24 m. 据此,顾桥矿1311(1)工作面切顶炮孔布置方式见图7.

图7 联巷内切顶炮孔布置方式图

联巷有效致裂长度为135 m,切顶钻孔共68个,得到的深孔爆破参数见表2.

表2 切顶爆破参数表

钻孔深部没有自由面,深孔应力夹持作用明显,常规煤矿炸药威力有限,必须采取大直径、大药量装药方式。据此,选择重型煤矿高性能水胶炸药,配合囊袋式封孔器,实现快速注浆封孔作业。放炮母线选择通用橡套软电缆,每盘为100 m,总电阻4 Ω,满足爆破需求。

3.2 爆破工艺实施

施工过程中,采用连续安装管将重型药柱送至孔底,直至最后一根药柱,连同两发同段电雷管与最后一根药柱绑缚在一起送至相应位置,完成整个装药过程。深孔爆破装药过程见图8.

图8 实践中的深孔爆破装药过程图

深孔装药工序完成后,采用专用注浆封孔装置配合快硬水泥浆液实现快速注浆封孔作业。注浆压力控制在1 MPa左右,水泥、水、速凝剂的配比为68∶29∶3.

3.3 爆破切顶效果

深孔装药连线起爆后,爆破安全警戒线之外可以听到明显的爆破“闷墩”声响。为分析爆破后的裂缝贯通情况,采用钻孔窥视仪对爆破临近孔观测分析。为验证邻近钻孔裂缝由爆破诱导形成,同时选取远距离未装药孔进行窥视。

现场施工过程中,7号孔、11号孔及12号孔揭露锚索,未进行装药。当邻孔(6号孔、8号孔、10号孔、13号孔)正常起爆后,验孔过程中发现7号孔、11号孔顺壁流出封孔水泥浆液,可见邻孔与爆破孔之间的裂缝导通,探头深入钻孔13～14 m位置时,被水泥浆遮挡。同理,随机窥视的29号孔(邻近28号孔已起爆)裂缝扩展,见图9.

图9 29号孔的裂缝扩展情况图

图9表明,29号孔内有明显的裂隙发育,且孔壁局部区域显示裂缝对称扩展。28号已爆孔和29号未爆孔的间距为2 m,可见炮孔有效致裂范围至少在2 m,同时也证实了空孔的良好导向作用,对于孔间裂缝延展具有促进作用,利用空孔导向能够实现较好的平面切顶效果。

为了综合评价顾桥煤矿1131(1)工作面切顶护巷效果,在8条被保护大巷内设置围岩变形测点,对工作面推进至收作线过程中的大巷围岩变形量进行测量,选取部分数据,见图10,11,由于11月中旬前工作面距系统大巷较远,大巷内基本无变形,此部分数据也不做展示。由图10,11可知,切顶后的系统大巷顶底板移近量最大不超过110 mm,平均在100 mm以下,两帮移近量最大不超过70 mm,平均在50 mm以下,均在正常范围内,证明了顾桥煤矿1131(1)工作面爆破切顶应力阻隔的有效性。

图10 11-2煤层回风大巷围岩变形图

图11 13-1盘区底板轨道巷围岩变形图

4 结 语

1) 在切顶卸压原理分析基础上,结合顾桥煤矿1311(1)工作面开采条件,确定在工作面停采线前方的联巷内开展爆破切顶作业,阻隔覆岩分层支承压力传载路径,降低被保护系统大巷围岩的应力集中程度。

2) 基于覆岩断裂转向机制、顶板导水裂隙带实测数据以及数值计算方法,验证分析得到了工作面覆岩扰动高度,确定顶板致裂目标层位高度为40 m,并给出了对应的炮孔布置方式及爆破参数。

3) 在工作面联巷内超前开展了覆岩深孔爆破切顶作业,煤矿重型水胶药柱配合注浆封孔工艺,取得了良好的平面切顶效果。空孔导向作用下,爆破裂缝扩展长度至少在2 m.