高地应力复合顶板条件下切顶卸压护巷技术研究
来源:用户上传
作者:
摘 要：文章研究切顶卸压主体设计，建立倾斜厚煤层切顶卸压护巷的力学模型;提出倾斜厚煤层切顶卸压护巷方案;通过深孔定向爆破，在切断工作面顶板与周围顶板的应力传递，最大程度的削减周围岩层对预留巷道顶板的破坏，深孔预裂爆破保护顶板的完整性，达到切顶卸压护巷效果。解决工作面邻面接替相邻巷道受二次动压影响制约生产难题，同时为新工艺、新技术在煤矿安全生产活动中的推广和使用提供可靠的依据。
关键词：高地应力复合顶板;切顶卸压;护巷技术
中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）24-0000-00
1 研究的目的和意义
煤炭目前是我国国民生产主要能源，随着煤炭资源的逐步减少，今后煤矿开采重点将转向埋藏深，开采条件相对困难的高地应力区域。我国现有煤矿开采方式90%为长壁式开采，以往留煤柱开采过程中岩层断裂引起围岩力学叠加和扰动，破坏顶板并且造成集中应力现象，是造成瓦斯积聚、冒顶、火灾等事故的根本因素，且由于顺槽煤柱的存在，将多丢煤至少8%，多掘顺槽巷道50%。
采动引起的采区附近巷道压力增大、巷道变形等因素严重阻碍煤矿的安全高效生产，随着煤炭资源的减少和开采难度的增加，切顶卸压无煤柱开采技术逐渐被众多煤矿推广应用，其核心步骤如：（1）利用恒阻锚索对巷道顶板加强支护，以保证随后预裂顶板，切顶时不影响巷道质量。（2）利用切缝钻机施工爆破钻孔，聚能爆破装置超前预裂顶板，在顶板形成预裂缝。（3）利用矿山压力在采场周期来压时顶板预裂缝自动实现沿空切顶，将顶板切落下来，从而达到保护相邻巷道的目的。
将切顶卸压技术用于治理采空区附近巷道变形，经过切顶的巷道变形增速较慢，变形量明显减少，不仅达到了治理巷道变形的目的，还具有经济、高效、施工方便简单的特点。因此，采用并推广切顶卸压护巷技术将是煤炭资源可持续发展的重要方向，同事也是解决煤矿顶板灾害事故的有效手段。
2 研究主要技术参数
2.1 頂板深孔预裂定向切缝原理
在爆破炮孔中采用定向聚能装置进行装药，并使聚能方向对准断裂方向。起爆后，冲击波和应力波优先沿设定方向集中释放，在炮孔壁上形成和聚能孔方向一致的初始裂缝。爆生气体大量、快速涌入径向初始裂缝，在设定方向产生拉应力集中，断裂岩体，实现顶板深孔预裂切缝。
2.2 深孔预裂爆破原理
采用定向聚能爆破预裂技术，将特定规格的煤矿许用炸药装在两个设定好方向有聚能管中;起爆后，炮孔周围的围岩在非设定方向上受压，而在设定方向上集中受拉，利用岩石抗压怕拉的性质，使岩石按设定方向拉裂成缝造成破坏，从而实现被爆破岩体按设定方向断裂成型，到达切缝的目的。
2.3 爆破预裂深度的确定
（1）通过以往切顶卸压综合数据分析，更合理的确定预裂切缝深度（H缝）设计一般大于2.6倍采高，即H缝≥2.6H煤，按煤层厚度4.5m计算，H缝=11.7m。
（2）深孔预裂切缝钻孔深度与采高、煤层顶板下沉量及巷道底鼓量有关，一般通过如下方程式计算：
式中：ΔH1：顶板下沉量，m;ΔH2：底鼓量，m;k：碎胀系数，1.3～1.5。
根据顶板岩性，考虑到上部岩层为粉砂岩和中砂岩整体，K取值1.4，在不考虑底鼓及顶板下沉的情况下，工作面煤层厚度H煤为4.5m时，计算得H缝=11.7m。
（3）综合分析上述计算结果，同时参照本地区钻孔柱状图岩层状况并考虑到切缝钻孔的倾斜在竖直方向切顶的减少量，预裂切缝孔深度设计为H缝=13.0m。
2.4 顶板预裂爆破钻孔施工要求
（1）参照设计的要求，以巷道中心线为基准，沿回采侧巷道顶板标出各钻孔位置，并且所有钻孔必须布置在一条直线上，钻孔间距 不大于600mm。（2）调整定向钻眼钻机的位置，使钻机钻臂（即钻杆）在三维空间上与水平面成 75°夹角，与上述钻孔连线垂直;（3）使用Ф48mm的专用钻头，按照上述角度，在巷道顶板钻孔标注位置，进行钻进施工，钻进深度为 13000mm，确保操作钻机准确，保证成孔的平直度，以确保爆破效果完好。
2.5 顶板深孔预裂切缝爆破施工主要工艺流程
顶板深孔预裂切缝爆破采用专利化聚能拉张切缝爆破法，具体工艺流程如：（1）在施工完的爆破钻孔中安装外径42mm，内径36.5mm，BTC-1500型聚能管，每节管长1500mm，每钻孔安装7根聚能管，聚能管捅到孔底。（2）在聚能管中放置煤矿许用三级乳化炸药，经反复试验得出最佳装药量为每孔13个卷药，药包长300mm，外径Ф30mm。每个聚能炮孔在装药前，先在巷道内按照爆破装药设计参数从孔底聚能管开始依次装药，并安设雷管和引线，然后将引线穿过第二根聚能管，并将第二根聚能管与第一根聚能管用专用卡件连接，然后在第二根管内开始连续装药并安设引线，依次重复按照上述办法，完成全部聚能管装药工作，每个聚能管设置一个雷管，未装药聚能管则不需雷管。（3）孔口用炮泥封孔，封孔长度不小于2500mm。（4）按照煤矿安全施工操作规程规定设置安全放炮距离，组织爆破工作。
3 研究的思路及方法
3.1 研究方法
（1）文献资料法。利用互联网、阅览室等广泛查阅相关的文献资料，加以分析与研究。在对工程地质条件充分研究的基础上，分析巷道顶板各岩层力学性质，提出倾斜厚煤层切顶卸压护巷方案。（2）实践调查法。在已有切顶卸压护巷实验研究的基础上，进行现场爆破参数试验，提出厚煤层切顶卸压护巷施工工艺，并进行现场工程应用。
3.2 实施路线
（1）研究的总体思路：研究切顶高度、切顶角度、炮孔间距等关键参数的作用机理，在对工程地质条件充分研究的基础上，分析巷道顶板各岩层力学性质，结合力学分析、数值模拟等方法对巷道及采场围岩变形、受力特征进行研究;（2）确定研究课题：高地应力复合顶板条件下切顶卸压护巷技术研究与应用;（3）制定研究计划：实地考察，联系科研单位，制定可行性方案等;（4）研究结果及其反馈：收集各类反馈意见，撰写相关研究论文报告，完善研究成果。 4 取得的主要成果
（1）研究切顶卸压主体设计，建立倾斜厚煤层切顶卸压护巷的力学模型;提出倾斜厚煤层切顶卸压护巷方案;通过预裂切缝爆破，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力，预裂爆破保护好顶板完整性，达到切顶卸压护巷效果。（2）顶板深孔预裂爆破技术是在对比研究多种聚能爆破和定向爆破方法的基础上发展起来的一种新型聚能定向爆破施工技术，此工艺简单、实用，应用时只需要在预裂线上施工爆破孔，采用双向聚能装置装药，并使聚能方向对应于岩体预裂方向。爆炸后的告诉气体将在两个设定方向上形成聚能流，并产生极大的定向张拉应力，使预裂炮孔沿聚能方向贯穿岩体，形成预裂面。由于钻孔间的岩石是断裂的，爆破炸药单耗将大大下降，同时由于聚能装置对围岩的保护，钻孔周边岩体所受损伤也大大降低，即实现预裂的同时又可以最大程度的保护巷道顶板的完整性。（3）切顶卸压护巷开采技术不仅解决了工作面邻面接替相邻巷道受二次动压影响制约生产难题，同时也为新工艺、新技术在煤矿安全生产活动中的推广和使用提供了可靠的依據。通过打破常规，积极应用新工艺、新技术，不仅节约了动压巷道维护成本，同时也为创建企业转型升级做出了贡献。
5 效益分析
5.1 经济效益
（1）切顶卸压护巷技术可有效缓解煤矿采掘接续紧张的问题，减少巷道整修工作量，间接减少掘进一条巷道，掘进巷道每米劳动用工费用和设备材料费用按7000元计算，保护巷道长度500m，采用此技术后，掘进1条巷道费用可节省500×7000=350万元。（2）提高了资源回收率，通过切顶卸压，永久巷道附近煤柱得到回收，该巷道附近煤炭储量16.5万吨，按每吨500元计算，可创效500×16.5=8250万元，创造极大的效益。
以上效益合计：350+8250=8600万元
5.2 社会效益
（1）切顶卸压护巷技术，是采矿界理论的一次重大突破和技术革新，破除了过去顶板控制的误区。（2）适用范围广，在时间和空间上克服了衔接紧张，用人多，效率低，成本高的弊端。（3）在高地应力复合顶板条件下经切顶卸压，使临近巷道摆脱应力集中区，降低巷道维修工作量，缓解矿井生产接续紧张，回收保护煤柱呆滞煤量。（4）增加煤炭资源回收，降低了护巷成本，提高企业经济效益。（5）形成了一套完整的高地应力顶板条件下切顶卸压护巷技术，为峰峰矿区同类条件下该类工程的施工提供了参考。
6 项目的应用与推广
高地应力复合顶板条件下切顶卸压护巷开采技术首次在峰峰集团万年矿进行试验，经切顶卸压后，工作面回采期间初采来压及周期来压均没有明显迹象，与同地区其他工作面矿压监测相比，工作面周期来压强度有所降低，并且保护了受采动影响巷道，实现无煤柱护巷开采，取得很大的成果。下一步将在其他矿井推广使用切顶卸压护巷技术，从而缓解矿井采掘接替紧张局面，回收保护煤柱煤炭资源。
收稿日期：2019-11-04
作者简介：周俊林（1980—），男，河北磁县人，本科，副总工程师、采煤工程师，研究方向：采煤工程。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15217203.htm
