王炳文　侯亞星　王華群　劉建　邊鐵山,2　索永峰,2(.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),00083; 2.冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦,河北省邯鄲市,056200)

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九龍礦野青灰?guī)r堅(jiān)硬頂板爆破弱化效果分析與應(yīng)用

王炳文1侯亞星1王華群1劉建1邊鐵山1,2索永峰1,2
(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.冀中能源峰峰集團(tuán)邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司九龍礦,河北省邯鄲市,056200)

摘 要九龍礦4＃煤層直接頂缺失,基本頂為堅(jiān)硬難冒落的野青灰?guī)r,在開采過程中多次出現(xiàn)因頂板周期來壓大而造成工作面液壓支架大面積壓死現(xiàn)象。以15445綜采工作面為工程背景,運(yùn)用數(shù)值模擬(UDEC4.0)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,對(duì)野青灰?guī)r堅(jiān)硬頂板爆破弱化后應(yīng)力分布規(guī)律及其對(duì)工作面支架的影響進(jìn)行研究。研究表明頂板爆破弱化后,工作面上方和前方壓應(yīng)力和高應(yīng)力集中區(qū)域縮小,頂板下沉量減少,周期來壓步距5～15m,來壓峰值降低,壓架現(xiàn)象減少80%以上。

關(guān)鍵詞綜采工作面 堅(jiān)硬頂板 頂板來壓 爆破弱化 UDEC數(shù)值模擬 礦壓規(guī)律

峰峰集團(tuán)九龍礦為煤與瓦斯突出礦井,主采2＃煤層為煤與瓦斯突出危險(xiǎn)煤層。為解放2＃煤層的煤與瓦斯突出問題,提高煤炭資源回收率,擬先對(duì)4＃煤層(保護(hù)煤層)進(jìn)行開采。開采過程中遇到的主要問題是4＃煤層直接頂板缺失,基本頂為堅(jiān)硬難冒落的野青灰?guī)r,在開采過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈,多次出現(xiàn)因頂板周期來壓大而造成工作面液壓支架大面積壓死;還有4＃煤層開采深度達(dá)740m,下距奧陶系巨厚灰?guī)r含水層約100～120m,礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜。國內(nèi)外針對(duì)堅(jiān)硬難垮落頂板控制問題主要是采取爆破放頂、注水弱化等措施,以改善頂板冒落性。目前,對(duì)類似九龍礦復(fù)雜開采條件下(煤與瓦斯突出、承壓水上開采、大采深礦井、堅(jiān)硬難冒落頂板)較薄煤層開采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與頂板控制措施的研究較少。本文以九龍礦15445綜采工作面為工程背景,運(yùn)用數(shù)值模擬(UDEC4.0)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,獲得野青灰?guī)r堅(jiān)硬頂板爆破弱化后應(yīng)力分布規(guī)律及其對(duì)工作面支架的影響。

1　工程地質(zhì)概況

15445工作面是九龍礦自2009年以來在4＃煤層開采的第一個(gè)保護(hù)層青灰?guī)r堅(jiān)硬頂板工作面。該工作面位于北二水平北五采區(qū),工作面采用薄煤層綜采技術(shù)進(jìn)行開采,煤層平均厚度1.6 m、傾角12°～15°;工作面走向長488m,傾斜長約150m,底板標(biāo)高－710～－740m。4＃煤層老頂為灰黑色的野青灰?guī)r,厚約2.0m,致密堅(jiān)硬,普氏硬度系數(shù)為10～12,無直接頂和偽頂;直接底為灰黑色的砂泥巖,厚層狀,含植物化石,厚約1.11mm;老底為灰白色粉砂巖,致密堅(jiān)硬,厚約3.8m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),15445工作面基本頂初次來壓步距約88～93 m,工作面周期來壓步距25～40m;來壓步距波動(dòng)范圍較大,無明顯規(guī)律。因4＃煤層野青灰?guī)r頂板堅(jiān)硬,該巖層最大彎矩低于其破斷強(qiáng)度,故表現(xiàn)為頂板不易垮落,工作面難于放頂,懸頂距過長導(dǎo)致影響工作面正常生產(chǎn)。

2　頂板爆破弱化理論分析

煤層開采后,當(dāng)懸頂距到達(dá)極限垮距時(shí),首先引起頂板垮落。頂板最大撓度為:

式中:ymax——頂板最大撓度;

E1——頂板彈性模量;

L1——懸頂距;

γ——頂板巖石的容重;

J1——頂板斷面慣矩;

q1——加于頂板的載荷。

由式(1)可知,若頂板堅(jiān)硬,導(dǎo)致懸頂距增大,頂板最大撓度ymax增大。最大撓度ymax增大導(dǎo)致頂板更難以垮落,造成采空區(qū)大面積懸頂。

從能量角度來看,未完全垮落的頂板中存儲(chǔ)的能量由彈性勢(shì)能計(jì)算式計(jì)算:

式中:UW——頂板中的彈性勢(shì)能;

q——單位長度懸頂重量與上覆巖層附加載荷。

工作面周圍的煤巖體內(nèi)聚集的彈性勢(shì)能UW與頂板的懸頂距L1的5次方成正比。當(dāng)頂板突然垮落,煤巖中聚集的大量能量將在極短時(shí)間內(nèi)急劇釋放,這種爆炸性的能量釋放將煤巖崩落,對(duì)設(shè)備和巷道產(chǎn)生巨大破壞,同時(shí)還會(huì)伴隨瓦斯、煤塵爆炸以及突水等事故。因此,懸頂距過大是導(dǎo)致壓架問題產(chǎn)生的直接原因,故需及時(shí)采用頂板弱化等措施減小懸頂距。

頂板預(yù)裂爆破后將形成以炮孔為中心的壓碎區(qū)、破碎區(qū)和彈性震動(dòng)區(qū),其中,壓碎區(qū)和破碎區(qū)產(chǎn)生主要的裂隙。受到爆炸沖擊波和爆生氣體作用,煤壁上方頂板內(nèi)的軟弱結(jié)構(gòu)面在構(gòu)造應(yīng)力和爆炸應(yīng)力波作用下,頂板性能經(jīng)歷一個(gè)漸進(jìn)的、動(dòng)態(tài)的劣化過程,釋放的能量使頂板巖石中原有裂隙得到擴(kuò)張,同時(shí)新的裂隙產(chǎn)生,導(dǎo)致頂板巖石發(fā)生破裂。相鄰的爆破孔裂隙貫通發(fā)育,致使頂板出現(xiàn)一條或多條連續(xù)的裂隙,加速頂板破斷。

3　野青灰?guī)r頂板爆破弱化效果分析

3.1模型建立

選用UDEC4.0模擬分析野青灰?guī)r堅(jiān)硬頂板爆破弱化效果。模擬的區(qū)域范圍為100m×52m(寬×高),本構(gòu)關(guān)系采用莫爾－庫倫模型。分別采用不同的開采方法,模擬并對(duì)比開采過程中頂板弱化與否對(duì)圍巖應(yīng)力分布、頂板位移的影響,為評(píng)價(jià)綜采工作面開采過程中造成支架損壞和沖擊破壞提供參考。根據(jù)15445工作面工程地質(zhì)條件,建立初始模型。各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.2模擬過程

首先,模擬頂板未爆破弱化的15445工作面開采,工作面以2m/d的速度推進(jìn),記錄頂板位移量和圍巖應(yīng)力變化;在相同條件下,工作面仍以2m/d的速度推進(jìn),但每推進(jìn)6m后沿煤壁頂板處預(yù)裂,分析工作面頂板位移和應(yīng)力狀態(tài),進(jìn)而對(duì)比頂板弱化前后的圍巖應(yīng)力、頂板下沉量和支架受力變化。

表1　煤巖物理力學(xué)參數(shù)

3.3結(jié)果分析

頂板未實(shí)施弱化前,15445工作面推進(jìn)過程中,應(yīng)力主要集中在煤壁兩側(cè)和工作面前方,上覆巖層裸露,頂板受開采影響而發(fā)生卸載變形,但因野青灰?guī)r頂板堅(jiān)硬,初次來壓步距達(dá)90m。隨著工作面不斷推進(jìn),野青頂板難以垮落,空區(qū)懸頂距達(dá)5～8 m,工作面上方和前方壓力平均為42MPa、峰值應(yīng)力達(dá)72MPa。因此,當(dāng)工作面周期來壓時(shí),壓力過大而導(dǎo)致支架安全閥大量開啟甚至被壓死。根據(jù)數(shù)值模擬分析可知,實(shí)施野青灰?guī)r頂板弱化,可減小工作面頂板初次來壓步距,縮短采空區(qū)懸頂距,有效降低工作面支架的支撐壓力。

比較頂板弱化前后工作面推進(jìn)40m后的頂?shù)装搴凸ぷ髅媲胺降膽?yīng)力分布。當(dāng)未實(shí)施頂板弱化時(shí),工作面前方應(yīng)力等勢(shì)線呈馬蹄形分布,最大應(yīng)力集中區(qū)位于工作面上方頂板處和工作面前方3m煤壁內(nèi),峰值應(yīng)力達(dá)50 MPa。實(shí)施頂板弱化后,工作面前方3 m煤壁內(nèi)最大應(yīng)力區(qū)域大幅縮小,應(yīng)力值為40MPa的區(qū)域范圍向煤體深部轉(zhuǎn)移,這是由于頂板弱化使得工作面附近及巷道兩幫形成卸壓破壞區(qū),從而降低了應(yīng)力值;工作面上方巖層所承受的壓力峰值降至40MPa以下,較未弱化前降低了20%,這說明頂板巖層內(nèi)部積聚的彈性能得到釋放,沖擊危險(xiǎn)降低;工作面后方采空區(qū)上方巖層所承受的應(yīng)力從約20MPa減至0～10 MPa,大大降低了工作面支架所承受的壓力,能有效預(yù)防工作面支架被壓死的現(xiàn)象。

圖1是工作面推進(jìn)40m后,觀測(cè)點(diǎn)處頂板下沉量變化曲線。對(duì)比弱化前后頂板下沉量可知:頂板未弱化時(shí),其下沉量達(dá)600 mm;頂板經(jīng)弱化后,下沉量僅為200 mm。這表明,通過弱化頂板,降低了觀測(cè)點(diǎn)附近頂板的下沉量,可有效降低支架的壓力,防止頂板壓死壓壞支架。

圖1　工作面頂板下沉量變化曲線

煤層開挖后,巖體移動(dòng)趨勢(shì)是采空區(qū)上覆巖層向下移動(dòng),底板向上鼓起。UDEC數(shù)值模擬結(jié)果表明,頂板爆破弱化后,工作面上方和前方壓應(yīng)力和高應(yīng)力集中區(qū)域縮小,頂板下沉量減少,灰?guī)r頂板完全垮落,縮小了采空區(qū)懸頂距,減小了支架的支撐壓力。

4　頂板預(yù)爆破實(shí)踐

4.1工作面頂板預(yù)裂爆破

15445工作面共安設(shè)液壓支架101架,推進(jìn)速度2m/d。在工作面推進(jìn)至距離開切眼261m時(shí),沿工作面傾斜方向順序向上鉆孔。沿傾斜方向?qū)⒐ぷ髅娣譃樯?、中、?部分,每個(gè)部分均為50m。當(dāng)工作面每向前推進(jìn)2m,先對(duì)下部50m頂板進(jìn)行爆破,然后工作面繼續(xù)推進(jìn)2m,再對(duì)中部50m頂板進(jìn)行爆破,然后工作面再繼續(xù)推進(jìn)2m,再對(duì)上部50m頂板進(jìn)行爆破,其中上、中、下三部分之間2m的頂板連接處不處置,依次循環(huán)。工作面預(yù)裂爆破孔布置見圖2。采煤機(jī)割煤后工作面支架不移動(dòng),留出頂板空間,沿工作面傾向打一排預(yù)裂孔。炮孔朝向煤壁正上方的野青頂板,孔間距0.8～1.0m,孔深2.0～2.5m (即炮孔穿過野青灰?guī)r頂板后再延深0.5m);炮孔與頂板成78°～75°夾角。裝藥前,先在炮孔內(nèi)裝長度為0.1m的水泡泥,然后塞入PVC管包裹的藥卷(包裹長度和藥卷長度一致,用透明膠帶纏住,兩側(cè)分別露出5mm的縫隙)。每一炮孔裝2～3個(gè)藥卷,正向起爆,裝藥后用水炮泥和軟炮泥封口,封泥長度不得小于500mm。

為觀測(cè)頂板爆破弱化效果,在兩個(gè)預(yù)裂爆破孔中間增設(shè)一個(gè)觀測(cè)孔以檢驗(yàn)爆破弱化效果,故在工作面平均選取3～5個(gè)位置增設(shè)觀測(cè)孔,如1＃觀測(cè)孔距回風(fēng)平巷24m,與1＃預(yù)裂爆破孔距0.5m; 2＃觀測(cè)孔距運(yùn)輸平巷30m,與2＃預(yù)裂爆破孔距0.5m。

圖2　15445工作面預(yù)裂爆破孔布置(俯視)

4.2頂板弱化效果分析

鉆孔窺視儀的影像資料表明當(dāng)鉆孔窺視儀深入到1＃預(yù)裂爆破孔0.52m時(shí),看到孔內(nèi)出現(xiàn)了明顯的水平裂隙,同樣當(dāng)鉆孔窺視儀深入到1＃觀測(cè)孔0.52m相近位置時(shí),出現(xiàn)了相同裂隙發(fā)育效果;當(dāng)鉆孔窺視儀深入到1＃預(yù)裂爆破孔1.66m時(shí),看到發(fā)育良好的水平裂隙,同樣當(dāng)鉆孔窺視儀深入到1＃觀測(cè)孔1.66m相近位置時(shí),出現(xiàn)明顯水平裂隙。由此表明,預(yù)裂爆破孔的淺部與深部爆破效果良好,且相鄰預(yù)爆破孔間的頂板出現(xiàn)了導(dǎo)通裂隙,達(dá)到完全切頂?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)證明頂板預(yù)爆效果良好,頂板弱化方案有效。

根據(jù)2＃觀測(cè)孔和2＃預(yù)裂爆破孔的鉆孔窺視結(jié)果可知,在2＃預(yù)裂爆破孔0.83m以及1.57m處基本頂(老頂)內(nèi)均出現(xiàn)了連續(xù)的水平裂隙。這表明在此位置預(yù)裂爆破后野青灰?guī)r頂板出現(xiàn)連續(xù)斷裂,弱化效果良好,距離運(yùn)輸平巷較近的頂板爆破效果明顯,出現(xiàn)切頂。

4.3支架受力分析

15445工作面在頂板未爆破弱化前,頂板不能及時(shí)垮落,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到采空區(qū)最小懸頂距約3m、最大懸頂距約9m,平均懸頂距為5.6m,周期來壓步距25～40m。當(dāng)工作面來壓時(shí),頂板對(duì)支架產(chǎn)生不同程度的沖擊影響,誘發(fā)壓架事故。2015 年6月－9月,15445工作面共發(fā)生8次壓架事故,直接影響生產(chǎn)32d。表現(xiàn)為頂板下沉量大,經(jīng)常壓死支架,支架工作阻力出現(xiàn)急增,最大壓力達(dá)46 MPa,超過40%的安全閥開啟,工作面底鼓嚴(yán)重。

15445工作面自2015年9月中旬開始進(jìn)行頂板爆破弱化試驗(yàn),工作面周期來壓步距明顯減小,支架支撐壓力顯著降低,壓死支架現(xiàn)象減少80%以上,周期來壓步距降為5～15m,基本頂和上覆巖層能及時(shí)垮落,雖周期來壓頻率增加,但來壓峰值降低,較好解決了15445野青工作面壓架問題。

5　結(jié)論

(1)15445工作面直接頂缺失,基本頂為堅(jiān)硬難冒落的野青灰?guī)r,在開采過程中礦壓顯現(xiàn)劇烈,多次出現(xiàn)因頂板周期來壓大而造成工作面液壓支架大面積壓死。

(2)數(shù)值模擬表明,野青灰?guī)r頂板弱化后,工作面上方和前方壓應(yīng)力和高應(yīng)力集中區(qū)域縮小,頂板下沉量減少,有效降低工作面支架的支撐壓力。

(3)15445工作面實(shí)施頂板爆破弱化后,野青灰?guī)r頂板和上覆巖層能及時(shí)垮落,雖周期來壓頻率增加,但來壓峰值降低,較好解決了15445野青工作面壓架問題。

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(責(zé)任編輯張毅玲)

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Effectanalysisandapplicationofblastweakeninginhardroofwith YeqinglimestoneinJiulongMine

WangBingwen1,HouYaxing1,WangHuaqun1,LiuJian1,BianTieshan1,2,SuoYongfeng1,2
(1.FacultyofResourcesandSafetyEngineering,ChinaUniversity ofMining& Technology,Beijing,Haidian,Beijing100083,China; 2.JiulongMineofHandanBaofengMiningCo.,Ltd.,JizhongEnergyFengfengGroup, Handan,Hebei056200,China)

AbstractTheNo.4coalseamofJiulongMinewaslackofimmediateroof,itsbasicroof wasYeqinglimestonewhichwasdifficulttofall.Asaresultofthesefactors,thehydraulicsupportsintheworkingfacewerebrokenmanytimesbecauseoftheviolentroofperiodicalweighting intheminingprocess.TakingNo.15445fullymechanizedminingfaceastheengineeringbackground,usingnumericalsimulationUDEC4.0andfieldtestmethod,thestressdistributionlaw afterblastweakeninginhardroofwithYeqinglimestoneandtheeffectsofblastweakeningon hydraulicsupportsintheworkingfacewerestudied.Theresearchresultsshowedthatafterblast weakeninginroof,theregionofpressurestressandhighstressconcentrationbecamesmallerabovetheworkingfaceandinthefrontofworkingface,thesubsidenceofroofandthepeakof weightingreduced,andtheperiodicweightinglengthwas5～15m,theoverwhelmedsupports reducedbymorethan80%.

Keywordsfully mechanized miningface,hardroof,roofweighting,blastweakening, UDECnumericalsimulation,stratabehavior

中圖分類號(hào)TD823

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡介:王炳文(1972－),男,山東海陽人,博士,副教授,主要從事采礦工程、礦物材料綜合利用的教學(xué)與科研工作。