深孔聚能预裂爆破切顶卸压机理与应用

段宝福,陈佳华,柴明星,魏玉冠,荆 哲,杨云倩

(1.山东科技大学 土木工程与建筑学院,山东 青岛266590;2.山东省土木工程防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266590)

在我国普遍采用的长壁体系开采条件下,随着煤矿开采强度及深度的增加,地应力增大,采动应力影响范围扩大,应力集中系数增大,加之巷道围岩力学性质的恶化,巷道变形愈发剧烈[1]。巷道在邻近工作面动压影响期间,容易出现两帮强烈挤压、顶板下沉和底鼓的全断面变形,锚杆锚索经常发生破断[2-3]。动压影响下巷道的维护已成为制约矿井安全高效开采的瓶颈。坚硬悬顶引起的侧向支承压力是巷道矿压显现的根本原因[4]。目前虽然已有长钻孔水力压裂侧向切顶卸压措施[5],但往往由于现场顶板岩层含泥量高且裂隙发育,导致钻孔及分段水力压裂等过程施工困难[6-7]。对此,诸多学者对坚硬悬顶难题进行了相关研究。苏超等[8]通过分析巷道覆岩结构及运移规律,采用人工切顶方式减弱悬顶叠加效应,进而改善煤柱受力状态,减小巷道变形。王涛等[9]分析了坚硬悬顶下煤柱受力状态,开展断顶卸压爆破,有效切断了悬板对煤柱的应力传递。

部分学者对不同工况下的切顶技术进行了研究。吴学松等[10]构建了侧向悬顶临空煤柱受力模型,提出分批次卸压顶板预裂爆破方案。王福奇等[11]通过优化钻孔参数及数值模拟分析,提出适用于大采高强矿压工作面的静态胀裂切顶技术。张军辉等[12]提出适用于急倾斜工作面坚硬顶板的超深孔预裂爆破方案。薛成春等[13]建立了倾斜悬顶结构力学模型,确定工作面下部端头、中上部为能量峰值点区域,制定了定向深孔爆破释能方案。

上述切顶方案对于控制悬顶引起的巷道变形起到了重要的指导作用,但顶板深孔预裂爆破与聚能爆破相结合的切顶技术方案尚待完善,爆破参数的确定及卸压效果有待研究。本研究以山西省王坡煤矿为工程背景,结合3号主采煤层顶板地质条件,分析巷道变形原理及切顶卸压机理,提出深孔聚能预裂爆破切顶卸压专项方案,采用数值模拟及3308工作面现场试验分析卸压效果,为类似切顶工程提供借鉴。

1 深孔聚能预裂爆破切顶卸压机理

1.1 巷道变形原理

王坡煤矿3号主采煤层埋深为500～700 m,发育有断层及陷落柱构造。工作面最高标高为+501 m,采用长壁放顶煤开采工艺,但由于采空区顶板没有及时垮落,回柱后形成空顶区域。同时受工作面采动影响,运输巷顶板下沉明显,两帮变形,底鼓严重,鼓起最高处距瓦斯管路不足1.0 m,影响行人及车辆正常通行,巷道存在严重安全隐患。如图1巷道变形原理所示,在垂直剖面上,岩层较完整的块体1与未断裂块体2构成了悬臂结构,在煤柱处形成较大弯矩。在侧向支承压力作用下,横向裂隙闭合,顶板下沉,支承压力向工作面传递。此时,纵向裂隙开裂扩展,横向上形成扩容效应,围岩自软弱底板挤出,巷道出现“底鼓”现象。强采动应力同时使运输巷道矿压显现,巷道维护困难。

图1 切顶前巷道变形原理

1.2 切顶卸压机理

由于端头悬顶处于3号煤层上方基本顶范围内,采用切顶卸压方式使顶板及时垮落。切缝需贯穿直接顶和基本顶的完整坚硬岩层,考虑采用深孔爆破技术。同时,鉴于聚能爆破可定向引导裂隙扩展,减少装药量,提高爆破效率。因此,本研究采用深孔聚能预裂爆破技术进行切顶卸压。

基于巷道变形特征及原理分析,深孔聚能预裂爆破可使顶板相邻炮孔间形成定向贯通裂缝[14]。如图2机理图所示,块体1、2沿预裂切顶面断开,同时通过钻孔角度控制切缝倾角,消除块体1、2之间的铰接作用,降低荷载传导。此时,顶板垮落在采空区,煤柱侧向支承压力减小,大幅降低纵向压缩和横向扩容,减轻了运输巷道的矿压显现程度。

图2 切顶卸压围岩控制技术机理

2 聚能爆破切顶卸压方案

2.1 切顶高度

依据王坡煤矿的3号主采煤层顶板实际揭露岩性,确定钻孔切缝设计参数如图3所示。钻孔位置距煤柱侧巷帮为1.5 m,钻孔与竖直方向的夹角为15°,与巷道轴向夹角为90°。

图3 顶板岩层及钻孔切缝设计图

结合地质条件,工作面切顶高度计算公式为:

(1)

其中:M为煤层厚度,取4.20 m;KP为顶板岩层碎胀系数,通常取1.25～1.35;H为切顶高度,m。由式(1)可得切顶高度为12.0～16.8 m。而切缝需贯穿至煤层上方第4层5.14 m厚的石英砂岩层(见图3),加上下部的2 m炭质泥岩、9 m石英砂岩及7.5 m粉砂质泥岩,总切顶高度H确定为23.64 m。

2.2 钻孔深度

钻孔深度可根据切顶高度和钻孔方位角计算,如式(2)所示。

(2)

其中:L为钻孔深度,m;θ为钻孔与竖直方向夹角,取15°;δ为钻孔与巷道轴向夹角,取90°。由式(2)可得L为24.473 m。为使顶板完全垮落采空区,本方案确定钻孔深度为25 m。选用直径为58 mm的钻头及履带式全液压坑道钻机,炮孔直径确定为60 mm。

2.3 炮孔间距

钻孔间距受炮孔半径、压碎圈及裂隙圈半径的影响。在不耦合装药情况下,压碎圈和裂隙圈半径[15]由式(3)～(6)求得:

(3)

(4)

(5)

(6)

其中:Rc、RP分别为压碎圈、裂隙圈半径,m;ρ0为炸药密度,kg/m3;Dv为炸药爆速,m/s;σcd为岩石的动态抗压强度,MPa;r为炮孔半径,m;σR、σt和σc分别为两区域间的径向应力、岩石的动态抗拉强度和抗压强度,MPa;α为压碎区中冲击波的衰减系数;β为应力波载荷传播衰减指数;μd为岩石动态泊松比;b为切向应力系数。

本方案采用乳化炸药进行爆破,炸药密度为1 120 kg/m3,爆速为4 400 m/s。根据煤矿岩石物理性能,计算求得压碎圈和裂隙圈半径分别为0.21和1.12 m。炮孔单排布置,采用双向聚能爆破,钻孔间距为2×1.12=2.24 m,现场选取2 m作为炮孔间距。

根据爆破试验,导向孔可引导裂隙扩展,提高爆破效率。因此,在2 m的炮孔间距中,增设1个不装药导向孔,形成1 m间隔布置的形式。其中,切缝总长为320 m(85#至91#回采点为构造段,共60 m,未爆破),实际装药的爆破孔共79个,导向孔共35个。与钻孔全装药方案相比,导向孔间隔爆破方案能够节省大量的爆破器材,大幅提高作业效率。

2.4 装药方案

装药时,采用带有双向聚能槽的聚氯乙烯聚能管,如图4所示。该聚能管外径50 mm,内径45 mm,长度2 m。现场选用三级煤矿许用胶状乳化炸药,直径35 mm,药卷长270 mm,药卷重量0.2 kg。采用不耦合间隔装药,单孔装入药卷50个,装药段长度为19.0 m。采用双雷管、单导爆索引爆,炮孔间采用串联方式连接爆破网路。

图4 聚能装药方案

3 切顶卸压数值模拟

3.1 模型尺寸及网格划分

采用FLAC3D软件进行数值模拟,考虑模型边界效应,确定模型的长×宽×高为160 m×150 m×69.16 m。依据切顶卸压方案,钻孔切顶面距煤柱侧巷帮1.5 m,向采空区方向倾斜25.0 m,与垂直面夹角15°。两条巷道的长×高均为5 m×4 m,煤柱的长×高为35 m×4.2 m。共划分网格408 905个,两条巷道、煤柱及切顶区域网格适当加密,靠近模型边界网格尺寸逐渐增大。数值模型如图5所示。

图5 三维数值计算模型

3.2 边界条件及材料参数

模拟按照平均埋深600 m计算,模型顶面施加15 MPa的垂直压力,底面固定Z轴方向位移,左右两面固定X轴方向位移,前后两面固定Y轴方向位移。为模拟岩层间的离层及错动,岩层间设置层理面,层理面切向和法向刚度均设为2.0 GPa;切顶面两侧岩层间设置接触面,切向和法向刚度均设为2.0 GPa。自模型底部至顶部共划分13个岩层,均采用“摩尔-库伦”模型,各岩层厚度及力学参数如表1所示。

表1 岩层厚度及力学参数

3.3 模拟结果分析

3.3.1 煤层底板垂直应力对比

截取煤层底板法向为Z轴的切面(见图5),导出图6所示煤层底板垂直应力分布云图。切顶前煤层底板处垂直应力分布如图6(a)所示,在靠近回风巷道转角处出现应力集中,与实际生产中端头位置矿压显现相一致。煤柱沿煤层倾向方向受到采动应力的影响,垂直应力普遍达到20 MPa以上,为应力增高区。该区域在滞后工作面的位置扩展到整个煤柱范围,加上围岩高应力状态下随时间的蠕变效应,造成运输巷道在采动后矿压显现强烈。而采取切顶措施后,煤层底板垂直应力分布如图6(b)所示,煤柱内垂直应力增高区范围及峰值均减小,工作面端头与巷道交叉处的应力叠加现象减弱。对比分析发现,预裂切顶措施可显著减小煤柱应力,并减弱应力叠加。

图6 煤层底板垂直应力分布

3.3.2 侧向支承压力对比

在煤层底板(Z轴方向长度为30 m)和煤层顶板(Z轴方向长度为38 m)的水平面内,沿煤层倾向分别设置距工作面45 m、长度为160 m的水平监测线(见图5),垂直应力分布曲线如图7所示。在煤柱区域,垂直应力分布均呈现“左高右低”的单峰值特征;在底板岩层中,煤柱左侧切顶前后的垂直应力峰值分别为30和24 MPa,减幅为20%。在顶板岩层中,煤柱左侧垂直应力峰值分别为37和29 MPa,减幅为21.62%。巷道两帮垂直应力逐渐升高,呈现“左高右低”的特点,这是采动应力作用下煤柱应力集中与巷道开挖引起的应力重分布叠加导致。可见预裂切顶措施可明显降低煤柱及邻近巷道围岩应力水平。

图7 切顶前后水平监测线垂直应力分布

4 现场试验及卸压效果分析

4.1 钻孔窥视结果分析

在爆破施工后,采用钻孔成像仪对导向孔进行探测,截取100#导向孔的11.8～12.5 m段及21.3～22.0 m段。如图8所示,孔壁存在两条轴向延伸的平行裂隙,说明实施聚能爆破切顶后,孔内轴向贯穿裂缝明显,能够在顶板岩层中形成切顶面,实现采空区顶板及时垮落。

图8 钻孔及采空区顶板探测

爆破后,施工人员发现导向孔内冒出少量青烟且出现“哨声”,分析其原因为爆破孔内的炮烟由贯通裂隙进入导向孔,从而冒出青烟,同时气流经过狭小裂隙出现“哨声”。通过钻孔窥视及现场观察分析,进一步验证了切顶卸压方案的有效性。

4.2 巷道表面位移分析

试验选取运输巷道上切顶前后的两个表面位移监测站,监测起止时间为2022年7月至10月,测点布置采用十字布点法[16],分别采用钢卷尺测量两帮及顶底板移近量。如图9对比结果所示,随着工作面的推进,巷道两帮及顶底板变形曲线表现为初始快速增长,之后累计变形增速逐步变缓,最后切顶前后巷道累计变形均呈现渐近稳定的趋势。其中,顶底板累计位移量最大,经现场勘查,主要以底鼓为主。预裂切顶后累计位移量减幅最大可达到59.27%,说明实施深孔聚能爆破切顶后,巷道两帮及顶底板移近变形可得到有效控制。

图9 切顶前后巷道累计位移对比

4.3 垂直应力增量分析

试验选取运输巷道上切顶前后的两个垂直应力监测站,每2 m布置一个钻孔应力计测点,安装深度2～14 m共7个。将垂直应力相对于初始应力的增量按照监测时间绘图,监测起止时间为2022年7月至10月。如图10切顶前后煤柱垂直应力增量对比所示:随着工作面的推进,未切顶区垂直应力增量呈初始剧烈增大,之后趋于平缓的趋势。当工作面距监测站12 m时,垂直应力增量最大,说明距工作面越近,对煤柱的应力扰动越大。而在钻孔6和10 m深度时,切顶前后垂直应力增量的减幅最为明显,其他深度处均有下降。说明预裂爆破切顶技术可显著降低煤柱垂直应力变化,减小应力扰动。

图10 切顶前后煤柱垂直应力增量对比

5 结论

以山西省王坡煤矿为工程背景,提出深孔聚能预裂爆破切顶卸压方案,采用数值模拟及现场试验分析卸压效果,主要结论如下。

1) 煤柱区域垂直应力呈现“左高右低”的单峰值分布,煤层顶板在切顶后垂直应力峰值减幅为21.62%,预裂切顶措施可明显降低煤柱及邻近巷道围岩应力水平。

2) 通过钻孔窥视、巷道变形和应力变化监测分析可知,炮孔内轴向贯穿裂缝明显,可使采空区顶板及时垮落。顶底板在切顶后累计位移量减幅达59.27%,巷道两帮及顶底板移近变形得到有效控制,煤柱垂直应力增量显著降低。

3) 现场试验及监测结果表明,采取1 m间隔布置导向孔的深孔聚能预裂爆破切顶方案,卸压效果显著,证明了切顶高度、钻孔间距等参数的合理性,可大幅提高作业效率。