九龍礦野青灰巖堅硬頂板爆破弱化效果分析與應用

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

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九龍礦野青灰巖堅硬頂板爆破弱化效果分析與應用

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.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083; 2.冀中能源峰峰集團邯鄲寶峰礦業有限公司九龍礦,河北省邯鄲市,056200)

摘 要九龍礦4＃煤層直接頂缺失,基本頂為堅硬難冒落的野青灰巖,在開采過程中多次出現因頂板周期來壓大而造成工作面液壓支架大面積壓死現象。以15445綜采工作面為工程背景,運用數值模擬(UDEC4.0)和現場試驗相結合的研究方法,對野青灰巖堅硬頂板爆破弱化后應力分布規律及其對工作面支架的影響進行研究。研究表明頂板爆破弱化后,工作面上方和前方壓應力和高應力集中區域縮小,頂板下沉量減少,周期來壓步距5～15m,來壓峰值降低,壓架現象減少80%以上。

關鍵詞綜采工作面 堅硬頂板 頂板來壓 爆破弱化 UDEC數值模擬 礦壓規律

峰峰集團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4＃煤層(保護煤層)進行開采。開采過程中遇到的主要問題是4＃煤層直接頂板缺失,基本頂為堅硬難冒落的野青灰巖,在開采過程中礦壓顯現劇烈,多次出現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740m,下距奧陶系巨厚灰巖含水層約100～120m,礦井水文地質條件復雜。國內外針對堅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,對類似九龍礦復雜開采條件下(煤與瓦斯突出、承壓水上開采、大采深礦井、堅硬難冒落頂板)較薄煤層開采的礦壓顯現規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,運用數值模擬(UDEC4.0)和現場試驗相結合的研究方法,獲得野青灰巖堅硬頂板爆破弱化后應力分布規律及其對工作面支架的影響。

1　工程地質概況

15445工作面是九龍礦自2009年以來在4＃煤層開采的第一個保護層青灰巖堅硬頂板工作面。該工作面位于北二水平北五采區,工作面采用薄煤層綜采技術進行開采,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,底板標高－710～－740m。4＃煤層老頂為灰黑色的野青灰巖,厚約2.0m,致密堅硬,普氏硬度系數為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,致密堅硬,厚約3.8m。

根據現場實測,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;來壓步距波動范圍較大,無明顯規律。因4＃煤層野青灰巖頂板堅硬,該巖層最大彎矩低于其破斷強度,故表現為頂板不易垮落,工作面難于放頂,懸頂距過長導致影響工作面正常生產。

2　頂板爆破弱化理論分析

煤層開采后,當懸頂距到達極限垮距時,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,若頂板堅硬,導致懸頂距增大,頂板最大撓度ymax增大。最大撓度ymax增大導致頂板更難以垮落,造成采空區大面積懸頂。

從能量角度來看,未完全垮落的頂板中存儲的能量由彈性勢能計算式計算:

式中:UW——頂板中的彈性勢能;

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聚集的彈性勢能UW與頂板的懸頂距L1的5次方成正比。當頂板突然垮落,煤巖中聚集的大量能量將在極短時間內急劇釋放,這種爆炸性的能量釋放將煤巖崩落,對設備和巷道產生巨大破壞,同時還會伴隨瓦斯、煤塵爆炸以及突水等事故。因此,懸頂距過大是導致壓架問題產生的直接原因,故需及時采用頂板弱化等措施減小懸頂距。

頂板預裂爆破后將形成以炮孔為中心的壓碎區、破碎區和彈性震動區,其中,壓碎區和破碎區產生主要的裂隙。受到爆炸沖擊波和爆生氣體作用,煤壁上方頂板內的軟弱結構面在構造應力和爆炸應力波作用下,頂板性能經歷一個漸進的、動態的劣化過程,釋放的能量使頂板巖石中原有裂隙得到擴張,同時新的裂隙產生,導致頂板巖石發生破裂。相鄰的爆破孔裂隙貫通發育,致使頂板出現一條或多條連續的裂隙,加速頂板破斷。

3　野青灰巖頂板爆破弱化效果分析

3.1模型建立

選用UDEC4.0模擬分析野青灰巖堅硬頂板爆破弱化效果。模擬的區域范圍為100m×52m(寬×高),本構關系采用莫爾－庫倫模型。分別采用不同的開采方法,模擬并對比開采過程中頂板弱化與否對圍巖應力分布、頂板位移的影響,為評價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15445工作面工程地質條件,建立初始模型。各煤巖層物理力學參數見表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,記錄頂板位移量和圍巖應力變化;在相同條件下,工作面仍以2m/d的速度推進,但每推進6m后沿煤壁頂板處預裂,分析工作面頂板位移和應力狀態,進而對比頂板弱化前后的圍巖應力、頂板下沉量和支架受力變化。

表1　煤巖物理力學參數

3.3結果分析

頂板未實施弱化前,15445工作面推進過程中,應力主要集中在煤壁兩側和工作面前方,上覆巖層裸露,頂板受開采影響而發生卸載變形,但因野青灰巖頂板堅硬,初次來壓步距達90m。隨著工作面不斷推進,野青頂板難以垮落,空區懸頂距達5～8 m,工作面上方和前方壓力平均為42MPa、峰值應力達72MPa。因此,當工作面周期來壓時,壓力過大而導致支架安全閥大量開啟甚至被壓死。根據數值模擬分析可知,實施野青灰巖頂板弱化,可減小工作面頂板初次來壓步距,縮短采空區懸頂距,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40m后的頂底板和工作面前方的應力分布。當未實施頂板弱化時,工作面前方應力等勢線呈馬蹄形分布,最大應力集中區位于工作面上方頂板處和工作面前方3m煤壁內,峰值應力達50 MPa。實施頂板弱化后,工作面前方3 m煤壁內最大應力區域大幅縮小,應力值為40MPa的區域范圍向煤體深部轉移,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,從而降低了應力值;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%,這說明頂板巖層內部積聚的彈性能得到釋放,沖擊危險降低;工作面后方采空區上方巖層所承受的應力從約20MPa減至0～10 MPa,大大降低了工作面支架所承受的壓力,能有效預防工作面支架被壓死的現象。

圖1是工作面推進40m后,觀測點處頂板下沉量變化曲線。對比弱化前后頂板下沉量可知:頂板未弱化時,其下沉量達600 mm;頂板經弱化后,下沉量僅為200 mm。這表明,通過弱化頂板,降低了觀測點附近頂板的下沉量,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,巖體移動趨勢是采空區上覆巖層向下移動,底板向上鼓起。UDEC數值模擬結果表明,頂板爆破弱化后,工作面上方和前方壓應力和高應力集中區域縮小,頂板下沉量減少,灰巖頂板完全垮落,縮小了采空區懸頂距,減小了支架的支撐壓力。

4　頂板預爆破實踐

4.1工作面頂板預裂爆破

15445工作面共安設液壓支架101架,推進速度2m/d。在工作面推進至距離開切眼261m時,沿工作面傾斜方向順序向上鉆孔。沿傾斜方向將工作面分為上、中、下3部分,每個部分均為50m。當工作面每向前推進2m,先對下部50m頂板進行爆破,然后工作面繼續推進2m,再對中部50m頂板進行爆破,然后工作面再繼續推進2m,再對上部50m頂板進行爆破,其中上、中、下三部分之間2m的頂板連接處不處置,依次循環。工作面預裂爆破孔布置見圖2。采煤機割煤后工作面支架不移動,留出頂板空間,沿工作面傾向打一排預裂孔。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 (即炮孔穿過野青灰巖頂板后再延深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,兩側分別露出5mm的縫隙)。每一炮孔裝2～3個藥卷,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。

為觀測頂板爆破弱化效果,在兩個預裂爆破孔中間增設一個觀測孔以檢驗爆破弱化效果,故在工作面平均選取3～5個位置增設觀測孔,如1＃觀測孔距回風平巷24m,與1＃預裂爆破孔距0.5m; 2＃觀測孔距運輸平巷30m,與2＃預裂爆破孔距0.5m。

圖2　15445工作面預裂爆破孔布置(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鉆孔窺視儀深入到1＃預裂爆破孔0.52m時,看到孔內出現了明顯的水平裂隙,同樣當鉆孔窺視儀深入到1＃觀測孔0.52m相近位置時,出現了相同裂隙發育效果;當鉆孔窺視儀深入到1＃預裂爆破孔1.66m時,看到發育良好的水平裂隙,同樣當鉆孔窺視儀深入到1＃觀測孔1.66m相近位置時,出現明顯水平裂隙。由此表明,預裂爆破孔的淺部與深部爆破效果良好,且相鄰預爆破孔間的頂板出現了導通裂隙,達到完全切頂?，F場觀測證明頂板預爆效果良好,頂板弱化方案有效。

根據2＃觀測孔和2＃預裂爆破孔的鉆孔窺視結果可知,在2＃預裂爆破孔0.83m以及1.57m處基本頂(老頂)內均出現了連續的水平裂隙。這表明在此位置預裂爆破后野青灰巖頂板出現連續斷裂,弱化效果良好,距離運輸平巷較近的頂板爆破效果明顯,出現切頂。

4.3支架受力分析

15445工作面在頂板未爆破弱化前,頂板不能及時垮落,現場觀測到采空區最小懸頂距約3m、最大懸頂距約9m,平均懸頂距為5.6m,周期來壓步距25～40m。當工作面來壓時,頂板對支架產生不同程度的沖擊影響,誘發壓架事故。2015 年6月－9月,15445工作面共發生8次壓架事故,直接影響生產32d。表現為頂板下沉量大,經常壓死支架,支架工作阻力出現急增,最大壓力達46 MPa,超過40%的安全閥開啟,工作面底鼓嚴重。

15445工作面自2015年9月中旬開始進行頂板爆破弱化試驗,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　結論

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

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

(3)15445工作面實施頂板爆破弱化后,野青灰巖頂板和上覆巖層能及時垮落,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TD823

文獻標識碼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與科研工作。