深孔預(yù)裂對(duì)特厚煤層頂煤頂板垮落規(guī)律影響分析

連曉陽(yáng)

（山西焦煤西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

斜溝礦目前正在開采13#煤層，煤層頂板巖層以較大厚度的砂巖等堅(jiān)硬頂板為主，開采時(shí)，若不對(duì)頂板巖層進(jìn)行弱化處理，來(lái)壓步距較大，頂板大面積懸露在采空區(qū)上方，一旦發(fā)生垮落時(shí)，會(huì)造成工作面失穩(wěn)[1-3]。現(xiàn)針對(duì)23107 工作面堅(jiān)硬頂板來(lái)壓強(qiáng)烈問(wèn)題，擬采用深孔預(yù)裂技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行切頂卸壓。切頂卸壓技術(shù)的關(guān)鍵在于掌握工作面頂板巖層的垮落規(guī)律及深孔預(yù)裂各項(xiàng)參數(shù)的選取，因此本文針對(duì)深孔預(yù)裂參數(shù)的選取進(jìn)行研究。

1 工程概況

斜溝礦23107 工作面西側(cè)、北側(cè)為實(shí)煤區(qū)，東北側(cè)為采空區(qū)。工作面煤層總厚12.10～16.08 m，平均14.35 m，煤層傾角7.9°～9.6°，平均8.8°，可采長(zhǎng)度3 400.2 m，傾斜長(zhǎng)度242.4 m。直接頂為灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，小型交錯(cuò)層理的泥巖，平均5.36 m；基本頂為灰白色，巨厚層構(gòu)造，成分以石英為主，泥鈣質(zhì)膠結(jié)的中細(xì)粒砂巖，平均4.49 m；直接底為灰黑色，塊狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)的泥巖，平均3.45 m；基本底為灰黑色，厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部含砂量較高的砂質(zhì)泥巖，平均6.14 m。23107 工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤法，采高3.6 m，放煤高度10.75 m，采放比約為1:2.99，按一刀一放的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)度、放煤步距均為0.8 m，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。工作面皮帶巷沿頂板布置，材料巷沿底板布置。

2 工作面初采初放期間礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

為了能夠反映出工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，將工作面測(cè)點(diǎn)平均分布于整個(gè)工作面，每隔5 架或6 架布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，提取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，整個(gè)工作面共布置25 個(gè)測(cè)站，將25 個(gè)測(cè)站分為上、中、下三個(gè)測(cè)區(qū)，如圖1。

圖1 綜采工作面測(cè)點(diǎn)布置情況

2.2 礦壓分析

23107 綜放工作面共推進(jìn)99.6 m，在此期間工作面共計(jì)來(lái)壓4 次，1 次初次來(lái)壓，3 次周期來(lái)壓。來(lái)壓期間工作面來(lái)壓步距、動(dòng)載系數(shù)和來(lái)壓期間工作面支架最大載荷見(jiàn)表1（支架最大載荷以20 架、26 架、32 架、62 架和102 架為例）。

由表1 可知，23107 平均周期來(lái)壓步距為14 m左右，初次來(lái)壓步距為50 m 左右，周期來(lái)壓期間平均動(dòng)載系數(shù)為1.25 左右，初次來(lái)壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)為1.6 左右。工作面上中下部各選取具代表性的1#、13#、25#號(hào)測(cè)站，提取其工作面推進(jìn)過(guò)程中的壓力值，隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2，壓力值單位為MPa；工作面25 個(gè)測(cè)站來(lái)壓期間最大壓力值如圖3，單位為MPa。

由圖2 和圖3 可知，23107 綜放工作面來(lái)壓具有分布不均衡性和來(lái)壓不同步的特點(diǎn)，且來(lái)壓期間和非來(lái)壓期間一般工作面中部壓力大于上部和下部壓力。工作面5 號(hào)（26 架）和6 號(hào)（32 架）測(cè)站位于8#煤18103 和18117 工作面保護(hù)煤柱下，由圖2 可知，在下部測(cè)站中，5 號(hào)與6 號(hào)測(cè)站壓力值明顯高于下部其他測(cè)站的壓力值，說(shuō)明上部工作面的保護(hù)煤柱對(duì)底板巖層形成的高應(yīng)力區(qū)域能波及到13#煤層，8#保護(hù)煤柱對(duì)13#煤放頂煤工作面有一定的影響。在工作面開采過(guò)程中要加強(qiáng)上部遺留煤柱下放頂煤工作面的頂板管理工作，在日常的生產(chǎn)過(guò)程中要特別加強(qiáng)此區(qū)域液壓支架的初撐力以及前探梁的支撐作用。

3 不同預(yù)裂參數(shù)下頂板垮落規(guī)律數(shù)值模擬分析

深孔預(yù)裂技術(shù)中不同的切頂深度、切頂角度等對(duì)頂板的垮落將會(huì)產(chǎn)生很大影響，從而影響巖層移動(dòng)和應(yīng)力分布。為此選擇采用UDEC 數(shù)值模擬方法分析不同預(yù)裂參數(shù)對(duì)頂板垮落規(guī)律的影響。

根據(jù)斜溝礦經(jīng)驗(yàn)，13#煤層的初次垮落步距為30 m 以上，本模型首先采用反推法驗(yàn)證參數(shù)選取，然后再針對(duì)預(yù)裂的參數(shù)進(jìn)行分析。13#煤采煤高度為3.6 m，放煤高度10.75 m，采放比約為1:2.99，按一刀一放的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進(jìn)度、放煤步距均為0.8 m，切眼的跨度為9.3 m，采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板。為此，在深孔預(yù)裂時(shí)選取的切頂角度分別為60°、90°和120°（以煤層頂板為水平面），鉆孔深度依次為5 m、10 m 和15 m，建立模型尺寸為60 m×120 m。對(duì)于工作面端頭切頂卸壓而言，分析不同切頂卸壓參數(shù)下工作面端頭垮落狀況及煤柱上支承壓力分布情況，為此建立模型尺寸為270 m×120 m。模型底板固定y 方向移動(dòng)，兩側(cè)固定x 方向移動(dòng)

3.1 不同預(yù)裂深度時(shí)頂板垮落規(guī)律分析

在切眼頂板向上5 m、10 m、15 m 開展深孔預(yù)裂爆破，與巷道表面的夾角為60°（采空區(qū)方向30°）、90°（垂直頂板）和120°（工作面方向30°）。以理想的工作面煤壁向上進(jìn)行深孔預(yù)裂，分析在不同鉆孔角度下，對(duì)頂板5 m、10 m、15 m范圍內(nèi)的煤體進(jìn)行預(yù)裂，預(yù)裂后工作面開始回采，工作面回采以6 m 一個(gè)循環(huán)，監(jiān)測(cè)特厚煤層綜放工作面頂煤頂板的垮落規(guī)律，通過(guò)分析相關(guān)數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)工作面切眼頂煤頂板預(yù)裂深度為5 m時(shí)（位于煤體內(nèi)部時(shí)），預(yù)裂孔角度向工作面采空區(qū)后方偏轉(zhuǎn)時(shí)，有助于加速淺部頂煤的垮落，但預(yù)裂深度小，效果有限。

（2）當(dāng)工作面切眼頂煤頂板預(yù)裂深度為10 m時(shí)（達(dá)到煤巖體交界面時(shí)），預(yù)裂孔角度向工作面采空區(qū)后方偏轉(zhuǎn)時(shí)頂煤垮落最為及時(shí)，隨著工作面向前推進(jìn)，對(duì)于頂煤上部巖體的影響有限，容易造成頂部巖體的大面積懸頂，但在預(yù)裂深度為10 m，其預(yù)裂效果要好于垂直頂板向上或向工作面回采方向打設(shè)。

（3）當(dāng)工作面切眼頂煤頂板預(yù)裂深度為15 m時(shí)（深入煤層上部的巖體內(nèi)），預(yù)裂孔垂直向頂板打設(shè)時(shí)，采空區(qū)上部的頂煤垮落最為充分，而且對(duì)頂板的破壞效果也最好，有助于降低工作面的初次來(lái)壓強(qiáng)度。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定程度，向頂板垂直打設(shè)預(yù)裂孔和向工作面回采方向打設(shè)預(yù)裂孔對(duì)于頂煤頂板的破壞狀況類似，但對(duì)于同樣的深度，垂直打設(shè)的預(yù)裂孔效果發(fā)揮得更早，而且節(jié)約鉆孔工程量，因此宜選用垂直打設(shè)預(yù)裂孔。

3.2 工作面端頭切頂頂煤頂板垮落規(guī)律分析

工作面在回采過(guò)程中，由于端頭煤壁的支撐，端頭頂煤不易垮落，同時(shí)工作面上下隅角懸頂面積大，造成臨近采空區(qū)巷道礦壓顯現(xiàn)，維護(hù)困難。為了降低工作面端頭懸頂問(wèn)題，一般需要在端頭進(jìn)行切頂作業(yè)，本數(shù)值計(jì)算中切頂深度分別設(shè)置為5 m、10 m 和15 m，同無(wú)切頂時(shí)頂煤頂板的垮落和應(yīng)力分布進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)分析相關(guān)數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)工作面端頭無(wú)切頂時(shí)，工作面回采后，工作面端頭遺留有大量的煤炭，端頭頂煤頂板呈現(xiàn)大面積的懸臂狀態(tài)。

（2）當(dāng)工作面端頭切頂深度5 m 時(shí)，工作面回采后，頂板垮落狀況大大改善，切頂范圍內(nèi)頂煤大面積垮落，但由于切頂深度5 m，頂煤厚度為10 m以上，同時(shí)由于斜溝煤礦頂煤硬度大，普氏系數(shù)可達(dá)2.5～3.5，自穩(wěn)性高，上部頂煤尚未完全垮落。

（3）當(dāng)工作面端頭切頂深度10 m 時(shí)，切頂?shù)纳疃惹〉巾斆汉蛶r體的交接面上，工作面回采后，頂板垮落狀況大大改善，切頂范圍內(nèi)頂煤大面積垮落，對(duì)于解決端頭頂煤的浪費(fèi)能夠起到很好的作用。由于切頂10 m，尚未對(duì)頂板造成破壞，對(duì)于緩解鄰近沿空巷道壓力而言，煤層上部的頂板懸壁狀態(tài)會(huì)加大煤柱的應(yīng)力集中，但切頂10 m 尚不能夠?qū)敯宓钠茐钠鸬綄?shí)質(zhì)作用。

（4）當(dāng)工作面端頭切頂深度15 m 時(shí)，切頂?shù)纳疃冗_(dá)到頂煤上部的穩(wěn)定巖層中，對(duì)穩(wěn)定巖層起到破壞作用，不僅僅頂煤完全垮落，頂煤上部的頂板巖層垮落程度會(huì)大大地提高，由于垮落的煤層會(huì)被運(yùn)走，對(duì)頂板進(jìn)行切頂破壞后，頂板的進(jìn)一步充分垮落，有助于緩解頂板懸壁對(duì)煤柱的壓迫作用，對(duì)于降低鄰近巷道的應(yīng)力集中具有一定的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析斜溝礦23101 工作面垮落規(guī)律，得到如下結(jié)論，為下一步工作面初采和端頭卸壓深孔預(yù)裂爆破參數(shù)選取提供理論依據(jù)。

（1）13#煤層工作面在不進(jìn)行深孔預(yù)裂時(shí)，以23107 工作面為例，平均周期來(lái)壓步距為14 m 左右，初次來(lái)壓步距為50 m 左右，周期來(lái)壓期間平均動(dòng)載系數(shù)為1.25 左右，初次來(lái)壓時(shí)動(dòng)載系數(shù)為1.6 左右。

（2）工作面切眼頂煤頂板預(yù)裂深度為15 m 時(shí)，預(yù)裂孔垂直向頂板打設(shè)時(shí)，采空區(qū)上部的頂煤垮落最為充分。

（3）對(duì)煤層厚度14 m、頂煤厚度達(dá)10 m 的工作面端頭進(jìn)行切頂卸壓作業(yè)時(shí)，切頂深度15 m 時(shí)，端頭頂煤垮落更加充分，而且對(duì)頂板進(jìn)行了預(yù)裂破壞，有助于緩解頂板懸壁對(duì)煤柱的壓迫作用。