大埋深强采动矿井切顶卸压技术研究

刘士法， 宋冠忠， 李少涛

(1.山东义能煤矿有限公司，山东 济宁 272000；2.山东裕隆矿业有限公司，山东 曲阜 272000)

引 言

煤炭的深部化开采成为我国目前煤炭的主流趋势，且开采技术的成熟造成了长工作面、大断面巷道的产生，大埋深、强采动双重扰动下巷道控制难度增加，切顶卸压是针对高应力巷道的一项有效技术，切顶卸压不仅施工简便、见效快，是实现煤矿安全、高效开采的一个重要方法[1-2]。

由于强采动效应使得义能煤矿CG1303巷道顶板变形剧烈、难以维护，故针对此工程特性在义能煤矿CG1303巷道尝试使用切顶卸压技术进行管理，使用数值模拟FLAC对不同参数切顶卸压方案进行比较，据此获得切实可行的切顶卸压方案[3-5]。

1 工程背景

义能煤矿生产能力核定为60万t/a，现主采3#煤层，平均埋深576 m，由于采深大，强采动后CG1303巷道围岩破碎且塑性区扩展较大，现有支护无法满足正常生产需求，需多次补强支护或注浆，即增加了工程量浪费了财力、时间，还对安全、高效生产留下了隐患，故尝试使用切顶卸压技术在CG1303巷道中，降低巷道围岩应力，矿井位置见图1。

对3#煤顶底板进行钻孔取样后，测定岩石力学参数情况，结果见表1。

CG1303进风顺槽由于埋深较大、采动影响明显，巷道压力显现明显，巷道顶底板移近量一度达1 230 mm，两帮移近量达975 mm左右，严重影响了正常的行人、通风等，故在CG1303进风顺槽尝试使用切顶卸压技术，降低巷道压力、减少巷道变形量。

表1 3煤层顶底板情况一览表

2 预裂切顶技术原理

相邻采空区覆岩停止运动后，采空区自然填充，巷道上部岩层形成类似铰链结构的弧形三角块，如第77页图2，连接在一起形成稳定结构的岩块B、采空区上覆下岩块C还有未开采侧稳定岩块A，称为关键块结构，关键块结构控制巷道上部岩层稳定性。岩块B受未完成割裂的岩块C的拉力，导致巷道上部岩体侧向拉力过大，从而导致巷道稳定性较差，故采取切顶卸压技术可使岩块B分割成整个关键块结构。

图2 沿空留巷侧基本顶侧向断裂结构

3 预裂爆破参数

3.1 爆破载荷

炸药爆破后形成的爆破载荷由式(1)、式(2)确定。

(1)

(2)

式中：P为冲击波载荷，MPa；P0为炸药瞬时载荷MPa；ρ、ρ0分别为岩石和炸药的密度，kg/m3；CP为冲击波速度，m/s；D为炸药爆速，m/s；λ为膨胀绝热指数，取λ≈3。

爆炸载荷经不断衰减后，形成应力波，应力波对爆炸孔附近。

3.2 岩石破坏

岩体破坏由岩石自身强度与外部应力环境决定，切顶爆破瞬间产生的爆破载荷压碎岩石，然后产生的应力波不断拉伸岩石直至破坏，岩石某处应力强度见式(3)、式(4)。

(3)

(4)

根据Mises准则：

σi≥σ0

，此为岩体破坏准则，即外部载荷大于岩体自身强度时，岩体破坏受爆破压裂产生的粉碎圈半径见式(5)。

(5)

其中，A、B、α计算见式(6)～式(8)。

(6)

(7)

(8)

受应力比拉伸破坏产生的裂隙圈半径计算见式(9)。

(9)

根据煤矿安全生产指导，选用3号煤矿许用乳化炸药，密度为1 120 kg/m3，爆速D=3 600 m/s，求得粉碎圈和裂隙圈半径分别为0.23 m和0.84 m。

绘制爆破孔示意图如图3所示，封孔段长度9.9 m，封孔段用水沙袋(或者水炮泥)和炮泥封孔。

图3 爆破钻孔封孔结构示意图

4 工程实践

在W1319进风顺槽实行切顶卸压后，收集表面位移数据处理，绘制顶底板及两帮的变形曲线图如图4、图5及第78页图6、图7。

图4 Ⅰ测面顶底板变形图

图5 Ⅱ测面顶底板变形图

图6 Ⅰ测面两帮变形图

图7 Ⅱ测面两帮变形图

根据表2、表3可知，经过预裂爆破卸压后， W1319进风顺槽顶底板累计移近量为436 mm，最大变形速度为78 mm/d；顶板最下沉量最大达336 mm，最大变形速度为57 mm/d；累计最大底鼓量为116 mm，最大变形速度为22 mm/d。两帮累计最大移近量为388 mm，最大变形速度为56 mm/d；煤柱帮累计最大移近量为284 mm/d，最大变形速度为47 mm/d；柔模墙帮累计最大移近量为104 mm，最大变形速度为16 mm/d。

表2 顶底板变形情况汇总表

表3 两帮变形情况汇总表

W1319进风顺槽顶底板变形量主要体现在顶板的下沉上，分析原因是巷道顶板为煤层和泥岩，岩石力学参数较低，松软易变形，而底板为砂岩，岩石力学参数大，刚性大，抗变形能力强，再加上在W1319工作面的二次采动影响下顶底板需要承受高应力，致使顶板产生了大变形。两帮变形量主要体现在煤柱帮的变形上。总之，虽然W1319进风顺槽发生了变形，但是变形量并不大，且该巷道随采随废，变形在巷道服务期间的允许范围内，故切顶卸压方案所具有合理性，可以有效减小巷道变形量，保证工程质量。