临巷爆破预切顶卸压参数优化

2023-07-13彭世龙孙利辉熊怀鑫

煤炭与化工 2023年5期

彭世龙，孙利辉，熊怀鑫，丁斌

（河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北邯郸 056038）

0 引言

传统沿空掘巷的护巷煤柱较宽，导致煤炭损失量巨大。损失量可达到矿井煤炭资源的2/5[1-2]。护巷煤柱的宽度随开采深度增加而增大，护巷煤柱所处环境会随开采深度增加变的复杂，大部分矿井放弃对宽煤柱二次回收[3-6]。为降低护巷煤柱造成的煤炭损失，无煤柱技术（沿空留巷技术和沿空掘巷技术）由此产生。沿空留巷围岩因受两次工作面扰动，围岩支护强度大且稳定性不易控制。沿空掘巷布置在已垮落的采空区边缘，围岩只受本工作面开采扰动，支护强度较沿空留巷相比低且稳定性易控制，实际工程采用沿空掘巷比较普遍。但是在坚硬顶板条件下实施窄煤柱沿空掘巷时，容易出现围岩破坏，巷道大变形问题[7-8]。对于坚硬悬顶问题的解决方法前人做了大量研究，但是对地质条件复杂且坚硬顶板的工程条件，成功解决悬顶垮落沿空掘巷鲜有研究。本文以云驾岭煤矿的预切顶沿空掘巷为研究对象，运用UEDC 模拟不同高度、角度工况下顶板最大变形量，分析沿空掘巷围岩稳定性及覆岩运动规律。

1 概况

云驾岭矿井19101 工作面开采9 号煤层，煤层平均2.81 m。9 号煤层直接顶板为石灰岩。石灰岩厚4.85～6.07 m，深灰色，致密坚硬。在厚硬顶板实施窄煤柱沿空掘巷易造成巷道大变形，导致沿空掘巷失败。临巷预切顶卸压使巷道顶板形成短悬臂梁，减小了顶板压力，达到顶板主动卸压目的。切顶参数是影响厚硬顶板条件沿空掘巷成功的关键。现场计划19101 工作面运巷实施超前预切顶卸压，后19103 副巷实施窄煤柱沿空掘巷。本文通过数值模拟方法优化切顶钻孔布置参数、现场爆破优化装药参数，以此获得最优的切顶卸压参数。工作面和巷道布置如图1 所示。

图1 工作面和巷道布置Fig.1 Layout of face and roadway

2 切顶参数对留巷围岩稳定性影响数值模拟分析

2.1 数值模拟构建

根据云驾岭煤矿19101 工作面工程地质条件，采用UDEC 模拟软件建立模型，岩层共分15 层，模型尺寸为250 m×63.94 m，模型如图2 所示。岩层力学参数见表1。

表1 煤岩体力学特性参数Table 1 Mechanical characteristic parameters of coal and rock mass

图2 UDEC 数值模拟模型Fig.2 UDEC numerical simulation model

2.2 数值模拟方案

本文采用控制变量法作为沿空掘巷切顶方案。切顶高度为11m，设置未切顶为参照，切顶角度为5°、10°、15°、20°四种方案对巷道围岩的影响；设置切顶角度为10°，切顶高度为5、9、11、13 m 四种方案对巷道围岩的影响。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 切顶角度对巷道围岩稳定性影响

图3为不同切顶角度巷道侧向顶板破断形态。

图3 不同切顶角度巷道侧向顶板破断形态Fig.3 Fracture pattern of lateral roof of roadway under different angles

顶板不切顶时，当工作面采出后，采空区顶板失去下方支撑，顶板旋转下沉，并呈一定角度横跨在巷道与采空区上方，悬顶结构明显。大面积的悬顶结构压力会使煤柱及巷道围岩大变形。当切顶角为5°时，顶板预裂缝两侧岩体结构面摩擦阻力大于下滑力，破断体未能顺利垮落，上方覆岩未受到向上的支撑力，导致巷道顶板应力集中，不利于巷道围岩稳定。切顶角为10°时，垮落体充填采空区后和煤柱形成的承载结构支撑上方荷载。保护了巷道的围岩稳定性。切顶角度为15°和20°时，切缝线两侧的岩体破断范围扩大，巷道顶板荷载随之增大，垮落体不能及时垮落，对巷道围岩稳定性不利。

探究不同切顶角度对巷道顶板下沉量变化的规律，揭示了不同角度对顶板下沉量影响的机理（图4）。

图4 切顶角度变化与顶板下沉量变化的关系Fig.4 Relationship between the change of cutting angle and the change of roof subsidence

图4分析可知，切顶角度变化导致顶板下沉量不一样，曲线形成的规律差异很大。当顶板还没有切顶时，曲线随着计算时间增加曲线斜率慢慢放缓变形量最大为162.4 mm。切顶角度为5°时，最大下沉量为97.2 mm，跟未切顶的最大下沉量相比减少了39.9%。当切顶角度为10°时，切顶曲线为所有曲线位置最低，顶板最大变形量的最低值在这条曲线上，曲线上顶板变形量最大为85.3 mm，跟未切顶的最大下沉量相比减少了45%。当切顶角度为15°时，最大下沉量为124.19 mm，当切顶角度为20°时，最大下沉量为143.15 mm。跟未切顶最大变形量相比，减少的变形量幅度较小，说明切顶卸压的效果减弱。最终结论，10°为切顶的效果最好。

2.3.2 切顶高度对巷道围岩稳定性影响

图5为不同切顶高度巷道侧向顶板破断形态。切顶高度为5 m 时，垮落体少，采空区未得到充分填充，不能形成有效的承载体，顶板会继续向下旋转下沉。且顶板和采空区垮落体之间有很大的空隙。切顶高度为9 m 时，垮落下来的岩体比5 m 时多，采空区填充率比5 m 的充填率高，但采空区垮落的岩体和上覆岩层间仍有空隙。切顶高度增加到11 m，随切顶高度增加垮落体随之增多，垮落的岩体进一步充填采空区，采空区得到了充分填充，垮落的岩体和煤柱给上覆岩层一个向上的支撑力，上覆岩层得到下方支撑力后，破断的岩层会停止向下旋转和下沉。当切顶高度上升到13 m 时，顶板岩层切落的岩体更多，因采空区已被填充充分，破断岩体和上覆岩层的空隙进一步缩小，但切顶高度增加会使岩体损伤范围增加，煤柱侧悬顶顶板荷载加大，不利于沿空巷道围岩稳定。

图5 不同切顶高度巷道侧向顶板破断形态Fig.5 Fracture pattern of lateral roof in roadway with different height of cutting roof

不同切顶高度对巷道顶板下沉量变化的规律，揭示不同高度对顶板下沉量影响的机理，如图6所示。

图6 切顶高度变化与顶板下沉量变化的关系Fig.6 Relationship between the change of cutting top height and the change of roof subsidence

切顶高度为5 m 时，随计算时间的增加，曲线放缓，顶板下沉量增加幅度减小，最大下沉量为115.5 mm。切顶高度增加到9 m 时，曲线随计算时间的增加，曲线放缓，斜率小于5 m 曲线，最大下沉量为101.5 mm。比切顶高度为5 m 的最大顶板下沉量减少12.1%。切顶高度增加到11 m 时，顶板下沉量继续下降，最大顶板下沉量85.3 mm，比切顶高度为5 m 的最大顶板下沉量减少25.7%。当切顶高度为13 m 时，最大顶板下沉量81.4 mm，比切顶高度为5 m 的最大顶板下沉量减少29%。巷道顶板下沉量下降幅度明显减弱，顶板卸压程度减弱。结果表明11 m 为最适合的切顶高度。

3 工程应用

3.1 爆破试验

通过现场爆破试验，确定爆破方案为联孔连爆，最佳炮孔的间距为600 mm，装药量为4+3+3+3+3+2。2、4、7、9 号孔为观察孔，其它孔均为爆破孔。

图7可知，2、4、7、9 号孔内围岩受两侧炮孔爆破扰动作用，围岩发生了明显的破裂，主要体现在3 个方面。一是在窥视过程中发现孔内存在炮烟，说明相邻钻孔爆破后，孔间围岩裂隙已经贯通，炮烟流动到2、4、7、9 号孔中；二是对比2、4、7、9 号孔爆破前后发现孔内围岩裂隙数量明显增多，原生裂隙进一步扩展，扰动次生裂隙大幅度增加；发现孔内扰动次生裂缝在完整围岩处发育比较明显，相反在原来较破碎的区域沿巷道轴向方向的裂缝发育不明显，但围岩的破碎程度大。

图7 炮孔内裂缝发育规律Fig.7 Regularities of fracture development in borehole

3.2 掘巷效果

图8（a）可知，巷道变形量大小排序为顶板、煤柱侧、实体煤侧、底板，对应的最大变形量依次为171、107、73 和28 mm。图8（b）在工作面回采期间围岩变形量比开挖时期增加了很多，距离工作面0～40 m 变形量随距工作面的距离增加快速下降，40 m 后变形量减小，曲线放缓。距离工作面最近的变形量从高到底排序为顶板、煤柱侧、实体煤侧和底板，变形量从大到小为253、133、106 和43 mm。切顶后的19103 副巷板顶板、煤柱侧、实体煤侧、底板变形量等围岩变形均得到有效控制。