预裂爆破弱化坚硬顶板技术在沿空留巷的应用.pdf
第34卷 第3期 2017年9月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 3 Sep. 2017 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2017. 03. 009 预裂爆破弱化坚硬顶板技术在沿空留巷的应用* 郭正超 1, 王红胜2, 李树刚2, 索 亮 3, 王海龙1, 熊礼全1 (1.重庆三峡学院土木工程学院, 重庆404100;2.西安科技大学能源学院, 西安710054; 3.四川交通职业技术学院道路与桥梁工程系, 成都611130) 摘 要 集贤煤矿开采深度大, 多为坚硬顶板工作面, 使得普通沿空留巷技术难以有效实施。为了解决沿 空留巷工作面基本顶悬顶长度大、 时间长, 应力集中程度高的问题, 在西二采区二片下料道采用预裂爆破弱 化坚硬基本顶技术提前预裂基本顶, 弱化顶板, 减小基本顶悬顶距, 降低基本顶运动对人造帮的影响。结果 表明 沿空巷道围岩运动趋于稳定后, 巷道围岩变形量远低于普通沿空留巷, 同时巷旁人造帮所受载荷也低 于人造帮承载能力, 确保了沿空巷道的稳定性。 关键词 预裂爆破;沿空留巷;坚硬基本顶 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2017)03 -0053 -04 Application of Pre-splitting Blasting Technology in Weakening Hard Roof on Gob-side Entry Retaining GUO Zheng-chao1,WANG Hong-sheng2,LI Shu-gang2,SUO Liang3,WANG Hai-long1,XIONG Li-quan1 (1. College of Civil Engineering,Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404100,China; 2. School of Energy and Resource,Xi′an University of Science and Technology,Xi′an 710054, China;3. Department of Road and Bridge Engineering,Sichuan Vocational and Technical College of Communications,Chengdu 611130,China) Abstract It is hard to apply the general gob-side entry retaining technology due to the larger mining depth and many working faces with hard roof in Jixian Coal Mine. In order to solve the problem caused by large and long time hanging roof,large surrounding rock stress concentration on the condition of using gob-side entry retaining in hard roof,the pre-splitting blasting technology in weakening hard roof was adopted in No. 2 mining area of western Jixian Coal Mine to weaken the roof and to reduce the length of hanging roof,finally the impact of motion of hard roof on the artificial side got decreased. The results showed that after surrounding-rock movement of gob-side entry tended to be stable,the tunnel roof convergence was much less than that of the general gob-side entry retaining and the load of ar- tificial side was less than the bearing capacity of artificial side. As a result,the gob-side entry was stable enough. Key words pre-splitting blasting;gob-side entry retaining;hard roof 收稿日期2017 -04 -29 作者简介郭正超(1988 -) , 男, 助教、 研究生, 从事煤炭绿色开采的 研究, (E-mail)guozhengchao2014@163. com。 基金项目重庆市教委科学技术研究项目(No. KJ1501031) ; 重庆三 峡学院大学生创新性实验计划项目(No. 2016068) ; 国家 自然科学基金青年项目(No.41602367) 坚硬顶板工作面具有覆岩强度高、 整体性好、 节理 裂隙发育不明显等特点, 回采后顶板不易自然垮落, 动 载系数大, 开采扰动剧烈[ 1,2]。采用沿空留巷时, 回采 后会出现基本顶悬顶时间长、 悬顶长度大、 巷道围岩应 力集中程度高等情况, 造成巷旁人造帮长时间处于高 应力状态, 很容易破坏, 严重影响沿空留巷支护体系的 稳定性[ 3-6]。采用预裂爆破弱化坚硬基本顶技术可以 及时切断基本顶, 改变其断裂线位置, 削弱基本顶运动 对巷旁人造帮的影响, 保证沿空巷道的整体稳定性。 万方数据 1 理论基础 基本顶在沿空巷道采空区侧存在四种断裂情 况[ 7], 如图 1所示。 基于基本顶断裂情况的差异, 人造帮受载存在 以下关系[ 7] 图 1(b)>图1(c)>图1(a)>图1(d) 。 采用预裂爆破技术能够增加裂隙长度和范围, 进而 使裂隙贯通形成结构弱面, 控制断裂线位置[ 7]。因 此, 为了工作面回采时基本顶形成图1(a)或 图1(d) 中的构造, 将基本顶运动对人造帮的影响降 到最低, 在沿空留巷巷道实施钻孔预裂爆破, 提前弱 化坚硬基本顶。 图1 基本顶断裂情况 Fig. 1 Fracture structure of main roof 2 地质条件 集贤煤矿西二采区一片工作面采用综合机械化 采煤法采煤, 开采深度560 m, 采区煤层赋存稳定, 平均倾角为10, 平均厚度为1. 6 m。西二采区二片 下料道采用预制混凝土大砌块沿空留巷方式, 工作 面布置如图2所示, 顶底板情况见表1所示。 图2 工作面布置 Fig. 2 Diagram of working layout 表1 顶底板情况 Table 1 The condition of roof and floor 名称 岩石类别 厚度/ m岩性 顶 板 基本顶粉砂岩15. 0灰黑色, 完整 直接顶中砂岩1. 7灰白色, 中部裂隙发育 底 板 直接底细砂岩0. 6灰白色, 完整 老底粉砂岩3. 3灰黑色, 完整 3 预裂爆破方案设计 西二采区二片下料道基本顶粉砂岩的内聚力为 68. 5 MPa, 内摩擦角为50, 西二采区二片下料道长 度为768 m, 为了确保预裂爆破质量, 爆破孔沿下料 道走向全长布置, 弱化顶板爆破孔的数量为520个, 炮孔间距为1. 5 m,孔深为18 m,炮孔直径为 50 mm[ 7]。选用矿用三级乳化炸药, 炮孔装药长度为 11 m, 封孔长度为7 m, 单孔装药量12.3 ~14.4 kg[ 7]。 爆破孔布置在巷道中心线处, 并偏向西二采区一片 工作面, 与西二采区一片工作面成70夹角, 具体的 沿空巷道预裂爆破孔布置如图3所示。 4 应用效果 在西二采区二片下料道进行沿空留巷, 沿空巷道 整体性较好, 没有出现巷道围岩变形大的问题, 能够保 证相邻工作面生产需要。为了掌握巷道围岩活动规 律, 考察巷旁人造帮的稳定性, 在沿空巷道全长布置一 定的观测站进行矿压观测。以下测站数据均以工作面 处为原点, 工作面前方为正数, 工作面后方为负数。 4. 1 巷道围岩变形分析 在留巷巷道内每隔一定距离布置测点, 监测巷 道围岩变形, 如图4所示。 45爆 破 2017年9月 万方数据 图3 沿空巷道爆破孔布置( 单位m) Fig. 3 Diagram of blastholes layout(unitm) 图4 巷道围岩变形 Fig. 4 Deformation of surrounding rock of roadway 由变形曲线可知, 超前工作面60 m范围内, 巷 道围岩开始变形, 但是表面位移速度小、 变形量小, 巷道整体变形量不大。由于回采前对巷道采取了加 固措施, 有效控制巷道围岩变形, 为后续沿空留巷的 开展奠定了基础。 留巷围岩变形可分为4个阶段 1)-25 ~0 m以内, 由于顶板岩性较好, 且支护 及时, 所以顶底板和实体煤帮变形量小。 2)-85 ~ -25 m范围内, 伴随基本顶的周期性 运动, 围岩有较大变形。其中顶底板变形量最大, 达 到332 mm, 其中最大顶板下沉量为122 mm, 底鼓量 为210 mm, 可见变形主要是底鼓; 实体煤帮移近量 为218 mm。变形速度呈现跳跃性增加, 变形速度最 大值能够达到22. 5 mm/ d。 3)-120 ~ - 85 m范围内, 随着基本顶运动的 减弱, 软结构逐渐被压实, 巷道围岩变形速度逐渐减 小、 偶有波动, 巷道围岩变形量增加不多。 4)- 120 m以后,巷道变形速度很小,不到 0. 5 mm/ d, 巷道变形量趋近于零。巷道围岩整体变 形量不大, 围岩变形趋于稳定, 其中巷道围岩顶底移 近量约为365 mm, 实体煤帮移近量不超过235 mm, 满足留巷巷道使用要求。 4. 2 人造帮变形分析 人造帮受力分析。为了掌握混凝土大砌块人造 帮承载情况, 在人造帮内每隔一定距离布置测点, 监 测人造帮受力大小, 如图5所示, 结果表明人造帮在 工作面后方逐渐承载, 受基本顶周期性运动影响, 人 造帮受力出现了一定的波动, 距离工作面120 m后 承载趋于稳定, 稳定后所受载荷为9. 3 MPa, 远低于 人造帮的承载能力。 人造帮变形分析。巷旁人造帮由软结构和硬结 构两部分组成, 其变形主要体现在软结构的变形, 软 结构的轴向变形如图6所示。 由变形曲线可知, 软结构的轴向变形分为4个 阶段 1)-15 ~0 m范围内, 顶板变形趋势较缓、 下沉 量不大, 软结构人造帮受载小, 因此变形速度小, 变 形量不大, 仅有14 mm。 55第34卷 第3期 郭正超, 王红胜, 李树刚, 等 预裂爆破弱化坚硬顶板技术在沿空留巷的应用 万方数据 2)-50 ~15 m范围内, 基本顶的运动导致软结 构人造帮受力越来越大, 轴向变形加剧, 最大变形速 度为5. 6 mm/ d, 变形量达到58 mm。 3)-120 ~ -50 m范围内, 由于顶板运动减弱, 软结构人造帮慢慢被压实, 承载达到最大, 变形速度 明显减小, 由于应力的调整偶有波动; 变形量达到 105 mm。 4)-120 m以后, 软结构人造帮的变形速度很 小, 不到0. 3 mm/ d, 变形量趋近于零; 软结构人造帮 的累计轴向变形量在107 mm左右, 满足沿空巷道 使用要求。 图5 人造帮受力变化 Fig. 5 The load change of artificial side 图6 软结构轴向变形 Fig. 6 The axial deformation of soft structure 在整个沿空留巷过程中, 作为人造帮硬结构的 混凝土大砌块没有发生横向及轴向变形, 只是部分 出现了破裂情况, 不影响人造帮的整体使用。 4. 3 沿空留巷整体效果 西二采区一片工作面现已回采完毕, 沿空巷道 整体性较好, 能够保证相邻工作面生产需要, 巷道围 岩控制效果如图7所示。 5 结论 在具有坚硬顶板的工作面沿空留巷时, 采取预 裂爆破弱化坚硬基本顶, 爆破作业量小, 炸药消耗量 少, 预裂基本顶效果好, 基本不影响沿空留巷工艺的 开展, 实现了工作面安全高效生产的目的。预裂爆 破弱化坚硬基本顶技术为解决坚硬顶板沿空留巷出 现的问题提供了新的思路, 对具有坚硬顶板的工作 面实施沿空留巷技术、 提升回采率具有一定的参考 价值。 图7 沿空巷道围岩控制效果 Fig. 7 The effect of surrounding rock control of gob-side entry 参考文献(References) [1] 华心祝.我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议 [J].煤炭科学技术,2006,34(12) 78-81. 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