無(wú)煤柱工作面切頂施工數(shù)值模擬及可行性研究

范新春

（同煤集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司，山西 大同 037031）

1 工作面概況

大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司8304工作面位于三盤(pán)區(qū)北側(cè)，工作面沿東西方向布置，南部為實(shí)煤區(qū)，西部為盤(pán)區(qū)回風(fēng)巷、輔運(yùn)巷，下部為2#層輔運(yùn)巷，層間距為18m，北部為8305工作面。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為750m，傾向長(zhǎng)度為127m，回采煤層為二疊紀(jì)下統(tǒng)山西組4#煤層，平均厚度為3.1m，山4#煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層內(nèi)含有多層夾矸，多數(shù)為炭質(zhì)泥巖。煤層頂板屬軟巖復(fù)合頂板，其直接頂為泥巖，平均厚度1.47m，基本頂為細(xì)砂巖，平均厚度5.88m，直接底為泥巖，平均厚度3.2m，基本底為粉砂巖，平均厚度3.10m。工作面采用綜合機(jī)械化后退式回采工藝，全部垮落法填充采空區(qū)。

為了提高采區(qū)煤柱回采率，8304工作面初步設(shè)計(jì)采用無(wú)煤柱回采工藝，即8304工作面在回采期間需沿空留巷，保證8305工作面正常回采。為了防止8304工作面回采期間沿空留巷段頂板下沉及煤柱幫應(yīng)力集中現(xiàn)象，綜采二隊(duì)利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)定向聚能爆破切頂施工進(jìn)行模擬分析及可行性研究。

2 定向聚能爆破施工可行性研究

本次留設(shè)的巷道為8304工作面5304巷，為了能夠說(shuō)明切頂留巷的礦壓過(guò)程及應(yīng)力集中情況、參數(shù)選擇，決定采用FLAC3.0有限元礦壓分析軟件進(jìn)行建模、模擬，來(lái)分析切頂后對(duì)留巷側(cè)煤柱幫及頂板應(yīng)力影響變化。

2.1 FLAC建模參數(shù)

（1）5304巷道斷面規(guī)格為寬×高=4.8×3.2m，根據(jù)窺視孔獲取的巖層參數(shù)，按照頂板巖層厚度及巖性的不同給模型材料賦值，如表1所示。

（2）載荷條件：結(jié)合該礦地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及模擬工作面布置方位，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以確定在模型X軸方向施加15MPa的梯度應(yīng)力，模型Y軸方向施加15MPa的梯度應(yīng)力，模型上部施加10.7MPa的等效載荷，下部施加10MPa的等效載荷，Z軸方向設(shè)定自重載荷。初始值設(shè)置好后，開(kāi)始初步運(yùn)行，讓模型地應(yīng)力首先達(dá)到平衡，如圖1模型初始應(yīng)力達(dá)到平衡后szz應(yīng)力云圖。

表1 5304巷頂板各巖層力學(xué)參數(shù)

圖1 地應(yīng)力平衡后szz應(yīng)力云圖

2.2 切頂前后模型應(yīng)力及位移分析

（1）當(dāng)模型單元格達(dá)到初始地應(yīng)力平衡后就可以對(duì)模型進(jìn)行開(kāi)挖。首先模擬沒(méi)有施工切頂槽留巷段巷幫應(yīng)力值及位移值變化情況，并選擇2個(gè)點(diǎn)P（45 10 6.5）、P1（37 10 9）（點(diǎn)P為留巷煤柱內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)P1為留巷巷道頂板監(jiān)測(cè)點(diǎn)）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，運(yùn)算2000步，可以看出煤柱幫出現(xiàn)了很大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 模型開(kāi)挖后運(yùn)行2000步szz應(yīng)力云圖

（2）對(duì)模型重新開(kāi)挖，并預(yù)留切頂槽，其中切頂槽深度為6.5m，并與頂板夾角為80°，觀察留巷幫應(yīng)力及位移變化情況。設(shè)置同位置2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，運(yùn)算2000步，觀察應(yīng)力集中及位移變化現(xiàn)象。從圖3中可以看出經(jīng)過(guò)切頂后，煤柱幫應(yīng)力現(xiàn)象得到極大的減弱。

圖3 切頂后運(yùn)行2000步后szz應(yīng)力云圖

3 定向聚能爆破切頂施工

3.1 定向聚能爆破原理

定向聚能爆破指的是在指定區(qū)域，根據(jù)頂板巖性及穩(wěn)定程度合理設(shè)計(jì)爆破鉆位置、孔深度、角度、裝藥量等參數(shù)，通過(guò)定向爆破后，使頂板巖體在指定方向上產(chǎn)生連續(xù)性裂隙，無(wú)煤柱工作面在回采時(shí)可利用頂板爆破裂隙進(jìn)行卸壓，防止頂板超前應(yīng)力集中，導(dǎo)致頂板下沉、破碎、垮落等。工作面回采后采空區(qū)頂板可在裂隙區(qū)發(fā)生切頂垮落，提高了沿空留巷安全性，保證了留巷段支護(hù)效果。

3.2 施工工藝

（1）8304工作面直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為1.47m，回采后頂板易垮落；基本頂主要以細(xì)砂巖為主，平均厚度為4.88m。該巖石普氏系數(shù)f＞4.5，巖體硬度大，難以破碎、垮落，所以將8304工作面切頂深度確定為6.5m。為了便于8304工作面在回采過(guò)程中通風(fēng)及行人，定向聚能爆破孔施工在距工作面煤壁幫4.0m處，鉆孔成直線布置，鉆孔間距為3.0m。

（2）首先由地測(cè)科現(xiàn)場(chǎng)給定炮孔布置走向線，并標(biāo)定炮孔位置，采用YT-28型風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)配套直徑為65mm一字型合金鉆頭進(jìn)行炮孔施工，炮孔向采空區(qū)方向以10°偏斜角布置，如圖4所示。

（3）爆破鉆孔施工完后，對(duì)炮孔內(nèi)安裝定向聚能管。8304工作面采用的聚能管主要為長(zhǎng)度2.0m、直徑63mmPVC管，相鄰兩節(jié)聚能管采用連接套連接，每節(jié)聚能管對(duì)稱(chēng)兩側(cè)焊制直徑為8mm的能量釋放圓孔，孔間距為150mm。聚能管安裝時(shí)保證能量釋放孔位置與工作面走向一致。

（4）聚能管安裝后，每個(gè)炮孔填裝3支藥卷長(zhǎng)度為300mm、質(zhì)量為300g的三級(jí)礦用乳化炸藥以及一支毫秒延期電雷管引爆，采用正向裝藥以及串聯(lián)連接方式。

（5）為了防止工作面回采時(shí)位于8305工作面?zhèn)惹许斁€附近巖體出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，8304工作面回采過(guò)程中在8305工作面煤壁側(cè)，距爆破孔1.0m處頂板施工一排恒阻組合錨索。每組組合錨索配套一塊長(zhǎng)×寬=0.5×0.5m鋼方墊以及五根長(zhǎng)度為8.0m、直徑為21.6mm恒阻錨索，組合錨索間距為3.0m。同時(shí)支設(shè)一排T型鋼棚，鋼棚間距為1.0m，在鋼棚棚腿處安裝鋼帶以及風(fēng)筒布進(jìn)行擋矸及堵風(fēng)。

3.3 應(yīng)用效果分析

2018年4 月3 日8304工作面回采至50m處，在5304巷進(jìn)行定向聚能爆破，由于工作面日進(jìn)度為6m，所以每次爆破2個(gè)炮孔為爆破時(shí)間節(jié)點(diǎn)。截至2018年6月3日，工作面回采至590m，共計(jì)爆破180個(gè)爆破孔，切頂后通過(guò)對(duì)留巷段頂板及回采煤壁應(yīng)力觀察分析可知：

（1）5304沿空留巷段定向爆破切頂施工后，8304工作面在回采過(guò)程中，在工作面前方5.0m處位于煤壁側(cè)頂板出現(xiàn)局部下沉現(xiàn)象，最大下沉量為0.23m，切頂處頂板局部破碎，采用單錨桿支護(hù)即可維護(hù)，未發(fā)生頂板大面積破碎、垮落事故。同時(shí)采用切頂爆破后，頂板深處裂隙帶可對(duì)8304、8305工作面在沿空留巷段產(chǎn)生的集中應(yīng)力進(jìn)行超前釋放，降低了集中應(yīng)力對(duì)巷道圍巖破壞作用。

圖4 沿空留巷段定向聚能爆破鉆孔布置示意圖

（2）8304工作面沿空留巷段定向聚能爆破切頂后，8304工作面采空區(qū)沿切頂線得到充分垮落，垮落高度達(dá)8.5m。8304工作面采空區(qū)垮落后，沿空留巷段頂板及圍巖未發(fā)生嚴(yán)重變形、破碎現(xiàn)象，受頂板圍巖塑形變化影響，距采空區(qū)8～15m范圍內(nèi)，沿空留巷段頂板出現(xiàn)局部跨距現(xiàn)象，切頂線附近頂板出現(xiàn)局部破碎。隨著工作面推進(jìn)，位于采空區(qū)后方的沿空留巷段圍巖變形趨于穩(wěn)定，頂板下沉量控制在0.35m以?xún)?nèi)，留巷段采用架棚、施工恒阻組合錨索聯(lián)合支護(hù)對(duì)切頂處頂板起到預(yù)期支護(hù)效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司綜采二隊(duì)通過(guò)技術(shù)研究，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)8304無(wú)煤柱工作面切頂施工進(jìn)行模擬和可行性研究，并提出了定向聚能爆破切頂施工工藝。通過(guò)對(duì)應(yīng)用效果分析發(fā)現(xiàn)，切頂施工使沿空留巷頂板上方區(qū)域形成短臂梁，大大減小了留巷側(cè)采空區(qū)巖層垮落對(duì)留巷頂板的影響，增大采空區(qū)巖層的碎脹體積，利用巖體碎脹特性，使垮落矸石充滿采空區(qū)形成新的巷幫，對(duì)上覆巖層起到有效的支撐作用。在恒阻大變形錨索支護(hù)、巷內(nèi)臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及擋矸支護(hù)共同作用下，大大降低了上覆巖層的回轉(zhuǎn)下沉變形，從而有效控制了留巷圍巖的穩(wěn)定性，保證了無(wú)煤柱工作面安全高效回采，取得了顯著應(yīng)用成效。