成庄矿深孔预裂爆破切顶卸压护巷技术研究.pdf
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1、成庄矿深孔预裂爆破切顶卸压护巷技术研究冯朝会(晋能控股煤业集团成庄矿,山西晋城048021)摘要:针对成庄矿 5309 工作面采动应力影响下造成采区大巷段围岩变形破坏严重的问题,基于工作面超前支承应力理论,确定了超前支承应力峰值与煤壁之间的距离以及超前支承应力的影响范围,并将深孔预裂爆破切顶卸压技术方案应用于现场工业性试验。结果表明:采用该技术方案后,1 号断面、2 号断面顶底板最大下沉量较之前分别降低了约 60.6、48.2,两帮最大移近量较之前分别降低了约 86.5、84.6,表明该技术方案可有效控制巷道围岩的变形破坏。关键词:采动应力;围岩变形;预裂爆破;控制围岩中图分类号:TD32文献
2、标识码:A文章编号:1672-1152(2023)09-0218-030引言目前,切顶卸压技术主要有水力压裂技术和预裂爆破技术两种1-2。水力压裂切顶卸压技术是利用高压水破坏顶板的完整性,岩体将产生裂隙或原生的微小裂隙进一步衍生扩展,使煤层以上的岩层发生塌落。水力压裂切顶可降低岩层的力学性能,改善工作面的作业环境,消除瓦斯灾害的发生。但水力压裂切顶的前期准备工作较多,施工较为困难3-4。预裂爆破技术切顶卸压是利用爆破释放的爆轰波,在钻孔之间产生贯通裂隙,降低煤层顶板的压力,使其沿切顶线发生塌落。预裂爆破技术切顶卸压施工较为简单,而且适用性较广泛,效率高,具有定向性5,但不适用于高瓦斯矿井。切顶
3、卸压技术可以改变顶板岩层的整体性及连续性,进而减小工作面采动影响的范围,从技术的经济性和实施控制性来看,前者具有适用广、效果好和成本低等优势。针对成庄矿 3 号煤 5309 工作面对应的采区大巷段巷道围岩变形较大、巷道断面减小、产生通风阻力增大和运输物料困难等问题,采用深孔爆破切顶卸压机理及控制技术,改善采区大巷所处的应力环境,确保巷道围岩的长期稳定。既保证了矿井安全生产,又提高了矿井的经济效益。15309 工作面工程背景5309 工作面位于成庄矿五盘区,五盘区盘区大巷以南,5311 工作面以东,5307 工作面以西,5311 工作面还未形成,5307 工作面已回采完毕。53093 巷为皮带巷
4、,53091 巷为辅助运输巷兼电气列车巷,53092巷为回风巷。5309 大采高工作面煤层平均厚度为6.01 m,最厚为 7.9 m,最薄为 5.5 m,5309 工作面回采3 号煤,煤层稳定,无明显层理、节理发育,煤层结构简单。煤层老顶为细粒砂岩,平均厚度为 9.85 m,灰黑色、致密、块状,含多量植物碎屑化石。抗压强度为32.641.2 MPa,平均抗压强度为 38 MPa。平均饱和抗压强度为 24.5 MPa,亦属半坚硬岩石,属中等稳定性顶板。煤层直接顶为砂质泥岩,平均厚度为 2.81 m,灰黑色、质软、岩芯完整,具层理,可见植物化石。平均抗压强度为 32.25 MPa,平均饱和抗压强度
5、为 12.19 MPa,为软弱岩石半坚硬岩石,属不稳定中等稳定程度顶板。煤层直接底为细粒砂岩,平均厚度为 4.83 m,深灰色、以石英为主、颗粒次圆状,分选中等,泥质胶结、较疏松。平均抗压强度为 38 MPa,平均饱和抗压强度24.5 MPa,亦属半坚硬岩石。属中等稳定性底板。煤层老底为砂质泥岩,总厚度为 7.25 m,灰黑色、砂质分部不均、胶结、致密。平均抗压强度为 28.78 MPa,平均饱和抗压强度为 19.20 MPa,为较弱岩石,属中等不稳定底板。2工作面支承应力理论分析支承应力分区力学模型如图 1 所示,利用该模型及平衡理论可以进行理论分析及计算。在极限平衡区内取单元体,其受力分析
6、模型如图2 所示。建立极限平衡方程:收稿日期:2022-12-25作者简介:冯朝会(1988),男,山西晋城人,本科,毕业于太原理工大学阳泉学院采矿工程专业,助理工程师,主要从事采掘管理技术相关工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9,2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.085图 1工作面超前支承压力弹性区煤岩壁原岩应力区极限平衡区x1x0滓x滓y酌HK酌Hxy技术应用2023 年第 9 期图 3爆破切顶卸压后围岩变形曲线图 2受力分析模型(滓x+d滓x)D-D滓x+2滓xfdL=0.(
7、1)式中:D 为煤岩层厚度;f 为煤岩层的摩擦指数;L 为模型某位置处距离煤壁的长度。煤岩体的应力需满足:d滓xd滓y=1+sin 渍1-sin 渍.(2)支承应力峰值为:滓y,max=K酌H.(3)联立(1)(2)(3)式,化简可得:L0=D2f1+sin 渍1-sin 渍ln(K酌H子0cot 渍1+sin 渍1-sin 渍).(4)式中:L0为煤壁侧与支承应力峰值之间的距离;K 为修正系数;酌 为容重;H 为煤层埋深。将 3 号煤层的相关地质参数代入(4)式,计算可得 L0=9.8 m。根据极限平衡理论和水平、垂直应力间的关系可以得到:滓y=琢 exp(-2fD茁L).(5)式中:琢 为
8、系数;茁 为侧压力系数,取值为 0.5。设弹性区的范围为 L1,且 L=L0+L1时:滓y=酌H.(6)联立(3)(5)(6)式,可得:L1=D茁2flnK.(7)由(7)式可求得弹性区的影响范围为 L1=45.6 m,超前支承应力的影响范围为 L=L0+L1=9.8 m+45.6 m=55.4 m。3深孔爆破相关参数断裂体 A 和断裂体 B 发生滑移失稳的条件为:(Tcos 兹-Rsin 兹)tan 渍Rcos 兹+Tsin 兹.(8)式中:T、R 分别为断裂体 B 受的水平应力、剪切力,kN;兹 为切顶角度,();渍 为 A 与 B 间的摩擦角,()。T=ql22(H-驻H)R=ql扇墒设
9、设设设缮设设设设.(9)式中:q 为断裂体 B 受的均布载荷,kN;l 为 B 的长度,m;H 为老顶厚度,m,驻H 为 B 的下沉量,m。联立(8)(9)式,可得:兹=渍-arctan2(H-驻H)l.(10)在 3 号煤层 5309 工作面中,将技术参数代入(10)式中,可得 渍=19.7,切顶仰角为 90-19.770。在采用深孔预裂爆破进行切顶卸压时,需要将爆破的影响范围控制在裂隙区才能达到预想的效果,由预裂区半径计算公式可得:RP=(滓cd滓td)1琢(籽0vD2nKp-2浊lcB82姨)1琢rd.(11)B=(1+b)2+(1+b2)-2滋d(1-滋d)(1-b)212.(12)式
10、中:b 为侧向应力系数;滓cd抑50 MPa;滓td抑2.18 MPa;籽0为炸药密度,籽01 200 kg/m3;vD为炸药爆速;lc为装药系数,lc=1;Kp为装药不耦合系数,Kp1.5;浊 为爆炸物绝热系数,浊6;rd为炮孔直径,rd0.03。将各参数代入(11)式,计算可得裂隙区半径约为3.05 m。因此,钻孔半径建议取值为 3.0 m。结合现场工程实际地质条件,确定 5309 工作面爆破切顶卸压初步方案为:炮孔从距切眼 50 m 开始,沿工作面皮带巷顶板走向布置,间距为 3.0 m,钻孔直径为 0.06 m,炮孔深斜长为 19 m,仰角偏向工作面侧70,则炮孔垂高为 17.8 m(切
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