切頂卸壓沿空留巷預裂切縫技術參數在億欣煤礦的應用

王朋衛

(山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 技術研究院有限責任公司，山西 晉城 048000)

1 工作面概況

億欣煤業XV1306工作面位于15#煤一盤區,工作面東為XV1307工作面,西為實體煤,南為保安煤柱,北為東軌道大巷。煤層厚度2.0 m～2.6 m,平均厚度2.3 m,中部含夾矸厚0.3 m,工作面傾角2°～9°,平均3°,采用長壁式采煤方法,綜合機械化采煤工藝,全部垮落法管理頂板。

XV1306工作面采用110工法自動成巷技術[1],設計在XV1213切頂留巷461 m(距XV1306工作面切眼0～461 m)，具體如圖1所示。

2 工程地質條件

1)煤層產狀。15#煤層位于太原組底部,井田內外有鉆孔及井巷對煤層進行了控制,K2灰巖為其直接頂板,煤層厚度2 m～2.6 m,平均2.3 m。井田東部煤層較厚,向西有逐漸變薄的趨勢,為井田內賦存區穩定可采煤層,煤層層位及厚度均很穩定,屬結構簡單穩定型煤層。一般含1～2層泥巖夾矸,煤層頂板為K2灰巖,大部分有炭質泥巖偽頂;底板為中厚層狀泥巖、炭質泥巖。

圖1 XV1306、XV1307工作面及XV1213巷、XV1214巷位置示意圖Fig.1 Positions of working face XV1306 and XV1307 with roadway XV1213 and XV1214

2)頂底板巖性。從ZK3-3柱狀可知,基本頂為K2灰巖,直接賦存在煤層上方,厚8.9 m～16.36 m;在頂板下位上方8.9 m處有厚度為1.7 m的砂質泥巖和0.4 m的煤線。直接底為泥巖,厚1.8 m。工作面綜合柱狀圖如圖2所示。

工作面揭露煤層厚度為2.0 m～2.6 m,均厚2.3 m,屬于中厚煤層,工作面范圍內煤層較穩定,含有1～2層夾矸,夾矸多為炭質泥巖,厚度為0.2 m～0.75 m,煤層傾角為2°～9°,屬于緩傾斜煤層。

圖2 工作面綜合柱狀圖Fig.2 Synthetic stratum histogram of working face

3 切頂卸壓主要指標的選取

切頂卸壓技術就是要保證頂板下得來自動成巷,三個關鍵技術指標顯得尤為重要:預裂切頂高度、預裂切頂角度和預裂爆破鉆孔間距。

1)預裂切縫深度的選擇。預裂切縫深度HF臨界設計公式如下:

HF=(HM-ΔH1-ΔH2)/(K-1)[2,6].

式中:ΔH1為頂板下沉量,m;ΔH2為底臌量,m;K為碎脹系數,根據不同巖性的碎脹系數(如表1所示),取1.3～1.5。

表1 不同巖性的碎脹系數Table 2 Bulk increase coefficient of different rocks

根據億欣礦直接頂為硬度較大的K2灰巖,本設計K暫按1.4取值,根據補打鉆孔資料顯示,煤厚變化不大,在不考慮底臌及頂板下沉的情況下,工作面采高取最大值2.6 m時,HF=6.5 m,從ZK3-3巖性柱狀圖可知,直接頂K2灰巖厚度達到9 m,根據以往的施工經驗,切斷關鍵層K2灰巖巷道垮落更充分,留巷效果更好,故確定切縫深度為10 m。

2)預裂切縫角度的選擇。經驗表明,選擇合適的角度切頂可以有效切斷采空區頂板與留巷頂板間的應力傳遞[3-4],有利于留巷順槽圍巖的穩定,能夠保證留巷效果最好。

根據相關模擬計算,當選擇切縫角度為0°～10°時,切頂面兩側仍有壓應力集中現象存在,同時采空區側留巷墻體受到較大集中應力;選擇切縫角度為15°～20°時,切頂面兩側壓應力消除,同時采空區側留巷旁墻體內集中應力最小。表明在0°～20°范圍內時隨著切縫角度的增大,切頂面兩側應力逐漸減小,同時采空區側留巷旁墻體所承受的壓力也逐漸減小[5]。再結合已經確定的10 m切頂高度的要求,為將9 m厚的K2灰巖完全切割,故選擇切頂角度為15°,如圖3所示。

圖3 預裂切縫角度示意圖Fig.3 Pre-splitting cutting angle

3)切縫孔間距的選擇。礦井工作面頂板爆破預裂切縫鉆孔一般根據工程性質及現場施工質量要求，并結合現有的設備條件選擇,小直徑鉆孔對周圍巖石破壞范圍小,預裂面形狀也容易控制,一般情況下炮孔間距為10～15倍的鉆孔直徑[6],另外,炮孔間距根據巖性的不同,取值也不大相同,當頂板為堅硬巖層時,炮孔間距可取較小值;當頂板為軟弱巖層時,炮孔間距可取較大值;當頂板為破碎巖層時,炮孔間距取值可繼續適當增大;當頂板為復合巖層時,需要結合現場試驗結果確定。

綜合頂板巖性(本工作面頂板為中硬巖石)、頂板爆破預裂切縫效果、打眼速度等因素,擬采用DCD-45切縫鉆機施工,配套鉆桿直徑42 mm、鉆頭直徑52 mm,確定鉆孔直徑d=52 mm,切縫孔間距選取500 mm、700 mm和800 mm三種爆破試驗方案,首先根據方案設計進行單孔試驗,確定合理的裝藥量和封泥長度,再進行間隔爆破,觀察相鄰兩裝藥孔間空孔內裂紋情況。如相鄰兩裝藥孔間空孔裂紋未達到裂縫率要求標準,再進行一次連續爆破試驗,最終確定一次爆破孔數以及爆破方式等。

根據試驗爆破效果及窺孔結果情況,最終選擇切縫孔間距選取500 mm時,切縫孔的裂縫率達到了技術標準,切縫孔間距500 mm爆破試驗方案，如圖4所示。

圖4 切縫孔間距500 mm爆破試驗方案Fig.4 Bursting test of 500mm slotted hole spacing

4 工作面實際應用情況

目前,XV1306工作面推進進度約150 m,在工作面推進30 m后,頂板開始垮落,從現場情況看,只在架后15 m位置,出現局部采空區頂板垮落沖垮擋矸支護的情況,棚柱倒塌范圍約3 m,原因在于回采過程中未嚴格按照設計要求施工,在工作面開始后約0～20 m范圍內,出現部分空頂區,巷道中部只架設了四根液壓柱,未嚴格執行采用單體柱+π型梁的“一梁四柱”支護方式[7],可縮U型鋼支架之間未用卡蘭和連桿將其連成一個整體,除此段區域外,其他區域成巷效果良好。

5 結束語

切頂卸壓技術中預裂孔角度的選擇是為了使爆破后采空區頂板垮落對留巷頂板形成新的支撐作用,減弱留巷頂板對擋矸支護的壓力,形成穩定的留巷巷幫;預裂孔深度是根據煤層厚度及直接頂的巖性和厚度決定的,選擇合理的孔深可使采空區頂板充分垮落,配合角度的選擇,阻斷了留巷頂板與采空區頂板的應力傳遞,提高了成巷的穩定性;切縫孔間距的選擇提高了切縫孔的裂縫率,保證了爆破效果。

綜上所述,億欣礦切頂卸壓選取切縫角度為15°,切縫孔深為10 m,切縫孔間距為500 mm的關鍵參數,沿空留巷穩定,成巷效果較好。