B050309 深孔卸壓爆破技術(shù)改善煤巷支護(hù)的試驗(yàn)研究

1、深孔卸壓爆破技術(shù)改善煤巷支護(hù)的試驗(yàn)研究周金城【峰峰集團(tuán)公司生產(chǎn)處】摘 要 針對(duì)大采深高流變軟巖巷道掘進(jìn)難以支護(hù)的問(wèn)題，應(yīng)用深孔卸壓爆破技術(shù)和深部圍巖淺部圍巖支架系統(tǒng)應(yīng)力變形二次耦合支護(hù)技術(shù)，取得成功。對(duì)認(rèn)識(shí)變形機(jī)理、完善圍巖應(yīng)力分析理論和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。 關(guān)鍵詞 深孔卸壓爆破 高流變軟巖 支護(hù) 試驗(yàn)近年來(lái)，隨著開(kāi)采深度的不斷加大，采礦工程面臨的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)采礦工程所涉及的領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，取得了一些可喜的成果,對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)揮了重要作用。但是，由于煤礦巖層賦存千變?nèi)f化，圍巖條件差異很大，對(duì)于復(fù)雜應(yīng)力結(jié)構(gòu)高流變圍巖的研究仍處于起步階段。本次試驗(yàn)針對(duì)萬(wàn)年

2、礦南翼采區(qū)復(fù)雜的應(yīng)力條件和巖層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用深孔卸壓爆破技術(shù)改善大采深高流變煤巷支護(hù)效果，取得成功，對(duì)認(rèn)識(shí)變形機(jī)理和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有一定現(xiàn)實(shí)意義。1 問(wèn)題提出萬(wàn)年礦主要生產(chǎn)水平為二水平，埋深500m,很多巷道遭到了嚴(yán)重破壞，影響了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。從遭到破壞巷道情況看，錨噴支護(hù)巷道的破壞表現(xiàn)為頂幫開(kāi)裂、噴層脫落、錨桿拉斷、底臌和局部冒頂；架棚支護(hù)巷道的破壞表現(xiàn)為支架變形、折斷、底臌和局部冒頂?shù)取Ｆ茐暮笙锏啦荒軡M(mǎn)足運(yùn)輸、通風(fēng)等生產(chǎn)需要和人員、設(shè)備的安全要求，對(duì)安全生產(chǎn)威脅很大，必須經(jīng)常整修。為從根本上解決這一問(wèn)題，由河北工程學(xué)院和峰峰集團(tuán)公司合作，選擇具有代表性的13278工作面運(yùn)輸機(jī)巷作為試驗(yàn)巷道，

3、進(jìn)行改善支護(hù)效果的研究。2 試驗(yàn)巷道條件萬(wàn)年礦位于峰峰煤田西北，礦井年生產(chǎn)能力為150萬(wàn)t。礦井采用斜井多水平聯(lián)合布置的開(kāi)拓方式和盤(pán)區(qū)前進(jìn)、區(qū)內(nèi)后退式開(kāi)采。地層為單斜構(gòu)造，斷層密布，煤層傾角變化在455°之間，大部分為緩傾斜煤層。礦井含煤地層為石炭二迭紀(jì)，可采煤層共6層，主采煤層為2#煤。試驗(yàn)巷道為13278綜采工作面下順槽，為沿空掘巷。煤層厚度3.04.5m，平均厚度3.8m。煤層傾角715°。煤層內(nèi)含夾矸兩層，厚0.2m。煤層直接頂為黑灰色粉砂巖，厚3.0m，老頂為灰白色細(xì)砂巖，厚14m，偽頂為黑色炭質(zhì)頁(yè)巖，厚0.5m；直接底為深灰色粉砂巖，厚6.0m，老底為灰白色細(xì)砂

4、巖，厚6.3m。 3 巷道破壞分析掘進(jìn)初期來(lái)壓快，變形量大，巷道很快遭到破壞。變形一直在緩慢發(fā)展，直到巷道完全被破壞。圍巖具有軟巖特性，變形呈現(xiàn)蠕變變形三階段的規(guī)律，具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。采取加大支護(hù)強(qiáng)度等手段，不能從根本上解決上述問(wèn)題。巷道遭到嚴(yán)重破壞，表明圍巖不僅處于復(fù)雜應(yīng)力之中，而且其變形具有明顯的流變特性。大規(guī)模的變形及破壞說(shuō)明圍巖不僅巖塊發(fā)生高流變變形，而且結(jié)構(gòu)面也發(fā)生高流變變形。 因此要求支護(hù)應(yīng)能控制這種復(fù)雜應(yīng)力條件下的軟巖高流變變形。4 模擬試驗(yàn) 復(fù)雜應(yīng)力高流變軟巖是一種特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線(xiàn)性及復(fù)雜的加載條件和邊界條件。這使得其穩(wěn)定性問(wèn)題通常無(wú)法用解析法簡(jiǎn)單地求

5、解，相比之下，數(shù)值法具有較廣泛的適用性。它不僅能模仿巖體的復(fù)雜力學(xué)與結(jié)構(gòu)特性，也可很方便地分析各種邊值問(wèn)題，并對(duì)工程進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。因此，我們選用三維有限差分軟件FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算分析。4.1 三維有限差分軟件FLAC3D軟件 FLAC3D軟件用于土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。FLAC3D源于流體力學(xué)，模擬塑性破壞和塑性流動(dòng)采用的是“混合離散法”，即使模擬系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，這就使得FLAC3D模擬的物理失穩(wěn)過(guò)程不存在數(shù)值上的障礙。FLAC3D采用“顯示拉格朗日”算法和“混合離散分區(qū)”技術(shù)，能非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)，及時(shí)調(diào)整三維網(wǎng)格中的

6、多面單元來(lái)擬合實(shí)際結(jié)構(gòu)(實(shí)體)。4.2 數(shù)值模擬模型建立根據(jù)煤層厚度、巷道頂?shù)装搴穸取⒚?巖)體成分和性質(zhì)以及巷道周邊地質(zhì)情況，建立模擬現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值模型。FLAC3D采用三維立體模型，計(jì)算模型垂直巷道走向長(zhǎng)度為20m，垂直走向高度為25m，巖層傾角12°。模型材料特性見(jiàn)下表。模型條件是模型底部固定，兩側(cè)及上側(cè)為受力邊界，其值均為1.2MPa。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部限制垂直移動(dòng)，模型其余部分為自由面。在深孔爆破實(shí)施動(dòng)力分析中爆破荷載的輸入是沿著基角深孔爆破位置向四周方向，為減少邊界對(duì)入射爆炸波的反射,指定模型四周為自由場(chǎng)邊界。數(shù)值模擬過(guò)程分為：自重應(yīng)力場(chǎng)下的平衡；分布開(kāi)挖及基角深孔爆破

7、對(duì)圍巖的應(yīng)力變形的影響；首次U型鋼支架支護(hù)的支護(hù)效果模擬。FLAC3D模型材料和節(jié)理力學(xué)特性彈性模量(GPa)泊松比粘結(jié)強(qiáng)度 （MPa）內(nèi)摩擦 系數(shù) 容 重 (kN/m3)抗拉強(qiáng)度 （MPa）粉 砂 巖0.13e040.120.071.0622.41.5煤0.06e040.150.011.112.32.2頁(yè) 巖0.08e040.150.021.323.12.4細(xì) 砂 巖0.08e040.120.031.1224.57.2節(jié) 理0.00150.244.3 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果分析4.3.1 常規(guī)支護(hù)后圍巖位移分析巷道圍巖位移分析表明，圍巖變形包括原巖應(yīng)力狀態(tài)下的變形、巷道開(kāi)挖期間的變形及巷道支護(hù)后到

8、趨于穩(wěn)定前的這個(gè)期間的變形。其變形原因是由于開(kāi)挖巷道破壞了掘巷前的原巖應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)集中應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)度時(shí)，圍巖就會(huì)發(fā)生塑性變形破壞。在形成塑性變形破壞過(guò)程中引起了圍巖向巷道空間位移，這種位移在不同的階段都有所表現(xiàn)。4.3.2 常規(guī)支護(hù)后圍巖應(yīng)力分析模擬試驗(yàn)表明，常規(guī)支護(hù)后巷道兩個(gè)基角處于應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力是巷道周邊最小應(yīng)力的5倍。但巷道基角僅僅是巷道表面圍巖應(yīng)力集中區(qū)，并不是圍巖應(yīng)力最高集中區(qū)，應(yīng)力最高集中區(qū)在巷道周?chē)鷾\部圍巖內(nèi)，其應(yīng)力是基角處應(yīng)力的4倍。應(yīng)力高度集中是導(dǎo)致圍巖變形破壞的主要原因。4.3.3 圍巖應(yīng)力重新分布的結(jié)果深孔爆破松動(dòng)圍巖后，圍巖最高應(yīng)力區(qū)向巷道深

9、部轉(zhuǎn)移，爆破松動(dòng)圈(圍巖松動(dòng)范圍)為巷道半徑的34倍，爆破松動(dòng)圈以外為最高應(yīng)力區(qū)，其應(yīng)力是爆破松動(dòng)圈內(nèi)應(yīng)力的6倍，產(chǎn)生的高應(yīng)力由爆破松動(dòng)圈以外深部巖層承擔(dān)，爆破松動(dòng)圈以?xún)?nèi)應(yīng)力僅為最大應(yīng)力的六分之一，由支架(支護(hù)體)和淺部圍巖共同承擔(dān)。卸壓爆破后巷道圍巖應(yīng)力分布示意圖4.3.4 數(shù)值模擬試驗(yàn)研究結(jié)論 13278工作面運(yùn)輸巷圍巖在自重、開(kāi)掘及支護(hù)后到趨于穩(wěn)定前的這個(gè)期間變形量很大，開(kāi)挖巷道對(duì)圍巖變形影響最大。 13278運(yùn)輸巷圍巖流變特性明顯，在常規(guī)支護(hù)后到巷道趨于穩(wěn)定前的這個(gè)期間，其流變變形量大約為最大變形量的80。 開(kāi)挖巷道破壞了其原巖應(yīng)力狀態(tài)，巷道周?chē)鷾\部圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，集中應(yīng)力超過(guò)圍巖強(qiáng)

10、度，在塑性破壞形成過(guò)程中引起圍巖向巷道空間位移。巷道周?chē)鷾\部圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中是13278運(yùn)輸巷圍巖產(chǎn)生高流變變形的原因。 在自重應(yīng)力條件下，13278運(yùn)輸巷底板及基角處圍巖處在應(yīng)力集中區(qū)，但不是應(yīng)力最高集中區(qū)，該處圍巖應(yīng)力大小為應(yīng)力最高集中區(qū)的四分之一。13278運(yùn)輸巷采用基角深孔爆破卸壓目的和作用是解除巷道附近圍巖應(yīng)力集中，使應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移。爆破卸壓后，使巷道淺部圍巖處于應(yīng)力最低區(qū)，同時(shí)最大限度地減少巷道底角應(yīng)力集中，保證了巷道支護(hù)的穩(wěn)定性。5 巷道基角深孔爆破卸壓機(jī)理既然巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力高度集中是造成巷道破壞的主要原因，則使圍巖內(nèi)高應(yīng)力得到釋放、 轉(zhuǎn)移和使應(yīng)力重新分布是防止巷道破壞的有效手段

11、。采用巷道的基角內(nèi)藥壺爆破卸壓技術(shù)，可以使深部圍巖內(nèi)積聚的彈性變形能以變形破裂的形式釋放，從而導(dǎo)致圍巖深部的應(yīng)力重新分布，重新形成破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，并使應(yīng)力集中的彈性區(qū)轉(zhuǎn)移到圍巖更深處，兩幫及底板淺部圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)。即卸壓爆破后在巷道周?chē)韺右欢ǚ秶鷥?nèi)形成低應(yīng)力卸壓圈，而在圍巖深部形成了應(yīng)力集中的自承載圈，集中應(yīng)力主要由該自承載圈的巖體承擔(dān)。由此使圍巖自支撐力得到充分發(fā)揮，并為卸壓巖體的穩(wěn)定性提供保障。同時(shí),由于該自承載圈的巖體處于圍巖深部，基本處于三向應(yīng)力狀態(tài)，穩(wěn)定性大大提高。這樣，導(dǎo)致圍巖破壞的可能性就會(huì)大大降低，卸壓后的巷道圍巖采取常規(guī)支護(hù)技術(shù)就能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。由支架和卸壓圈圍

12、巖雙重保持內(nèi)部自承載圈的穩(wěn)定,自承載圈、卸壓圈和支護(hù)形成一體化系統(tǒng)，相輔相成，互為依存，三者共同作用，提高了巷道穩(wěn)定性。巷道基角深孔爆破是在底板深部的松動(dòng)爆破，目的是調(diào)整圍巖應(yīng)力，在底板巖層中形成兩層自撐結(jié)構(gòu)，即上自撐巖環(huán)體和下自撐巖拱體，從而有效地控制底臌量，消除巷道附近圍巖應(yīng)力集中。6 基角深孔卸壓爆破參數(shù)設(shè)計(jì) 圍巖卸壓程度關(guān)鍵在于選擇合適的深孔爆破參數(shù)，主要包括卸壓孔深度、角度、裝藥量、卸壓孔間距、距前頭距離和卸壓實(shí)施時(shí)間等。 根據(jù)數(shù)值分析和模擬試驗(yàn)結(jié)果，卸壓孔位置定在巷道兩基角，高度距底板0.2m，距工作面迎頭距離1.0m，與巷道中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)布置，與水平線(xiàn)呈向下傾斜45°，長(zhǎng)度

13、取為4.0m。卸壓孔間距設(shè)計(jì)與裝藥量有關(guān)，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化取為1.0m。每個(gè)孔的裝藥量為0.15kg。為防止深部爆破引起兩幫、底板出現(xiàn)裂隙，炮泥充填長(zhǎng)度不少于1.5m。使用爆破材料種類(lèi)與前頭掘進(jìn)相同,爆破與前頭爆破同時(shí)進(jìn)行。7 支護(hù)設(shè)計(jì) 利用深孔卸壓爆破技術(shù)重新調(diào)整圍巖應(yīng)力分布，在巖體內(nèi)形成兩層自撐結(jié)構(gòu)即上自撐巖環(huán)體和下自撐巖拱體,從而提高巷道穩(wěn)定性，有效控制巷道變形，起到支護(hù)巷道圍巖作用。巷道使用U25型可縮性鋼支架支護(hù)。支架規(guī)格寬×高為4.0×3.0(m)，形狀為半園拱形。支架間距為500mm。在煤壁與支架間鋪掛網(wǎng)目為100×100(mm)的菱形雙抗塑料編織網(wǎng)，并

14、在網(wǎng)與支架間用直徑80mm圓木背頂幫,目的是增加支架整體性和使之具有一定的柔性。為盡量減少放炮對(duì)圍巖的破壞，采用預(yù)留光爆層的光面爆破技術(shù)掘進(jìn)破巖。8 礦壓觀測(cè)8.1 支架受力觀測(cè)8.1.1 觀測(cè)點(diǎn)布置 支架受力觀測(cè)的目的是為了進(jìn)一步了解圍巖表面受力情況，并為今后設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。支架受力觀測(cè)采用液壓枕對(duì)U型鋼支架作承載量測(cè)。巷道內(nèi)每50m設(shè)一觀測(cè)站，測(cè)力點(diǎn)布置在巷道兩側(cè)分別距底板200mm和1000mm(即拱基線(xiàn))處、巷道頂部正中和距頂部中點(diǎn)1500mm的巷道兩肩部，共7個(gè)點(diǎn)。8.1.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析 支架自巷道開(kāi)挖后35天開(kāi)始受力，巷道開(kāi)挖后2533天巷道基本達(dá)到穩(wěn)定，以后支架受力增加很緩慢

15、，到50天達(dá)到穩(wěn)定。 支架受力最大為3.5MPa，最小為1.2MPa，平均1.9MPa，均小于圍巖抗壓強(qiáng)度(煤的單軸抗壓強(qiáng)度為2545MPa，直接頂抗壓強(qiáng)度為2348MPa，平均41MPa)。這表明巷道表面煤巖層處于彈性變形，圍巖能夠發(fā)揮良好的自撐能力。 巷道開(kāi)挖后30天支架受力約為常規(guī)支護(hù)的12.510%(常規(guī)支護(hù)時(shí)支架受力2813 MPa， 平均20.5 MPa)。8.2 圍巖位移和表面收斂觀測(cè)8.2.1 測(cè)點(diǎn)(站)布置 觀測(cè)儀器用Dd一6型多點(diǎn)位移計(jì)。巷道內(nèi)每50m設(shè)1個(gè)觀測(cè)站,每個(gè)測(cè)站布置三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)分別布置在距底板800mm的巷道兩側(cè)和巷道頂部正中。每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別用來(lái)觀測(cè)巷道表面

16、收斂值以及距巷道表面800mm、1500mm、2200mm、3000mm、4000mm和5000mm處圍巖變形值。8.2.2 巷道表面收斂分析 巷道開(kāi)挖后30天頂、幫變形量最大38mm，最小16mm，巷道基本穩(wěn)定。巷道開(kāi)挖后50天巷道達(dá)到穩(wěn)定。從巷道整體觀測(cè)看，變形量很小，巷道沒(méi)有受到破壞，說(shuō)明支護(hù)設(shè)計(jì)是成功的。8.2.3 多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析 巷道圍巖的總位移量隨著巷道開(kāi)挖后時(shí)間的延續(xù)而增大。巷道開(kāi)挖初期位移速度快，以后位移速度逐漸變慢，并逐漸趨近于零。一般地,開(kāi)挖后30天巷道基本達(dá)到穩(wěn)定,巷道開(kāi)挖后50天停止位移。 巷道開(kāi)挖后50天，巷道表層0800mm范圍內(nèi)圍巖位移量為2lmm，距表面

17、8001500mm范圍內(nèi)圍巖位移量為2lmm，距表面15002200mm范圍內(nèi)圍巖位移量為3lmm，距表面22003000mm范圍內(nèi)圍巖位移量為42mm，距表面30004000mm范圍內(nèi)圍巖位移量為83mm，距表面40005000mm范圍內(nèi)圍巖位移量為124mm。 從觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，巷道表層02200mm范圍內(nèi)圍巖位移量小，表明此段圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)，圍巖處于彈性變形階段；距表面22003000mm范圍內(nèi)圍巖位移量較大，表明此段圍巖處于應(yīng)力增高區(qū)，圍巖可能處于塑性變形階段；距表面30005000mm范圍內(nèi)圍巖位移量更大，表明此段圍巖處于卸壓帶上的破碎區(qū)，圍巖發(fā)生了破裂。9 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析 在常規(guī)支護(hù)下巷道需23個(gè)月維護(hù)一次、46個(gè)月徹底維修一次，從掘進(jìn)開(kāi)始邊掘進(jìn)邊維修，一直延續(xù)到回采工作結(jié)束。采用巷道基角深孔卸壓爆破技術(shù)后,支護(hù)效果明顯改善,維修減少了,實(shí)現(xiàn)了一次成巷, 掘進(jìn)期間不用維修;在回采期間的局部地段底臌采用臥底方法即可解決。僅維修費(fèi)用一項(xiàng)每m巷道可節(jié)約1130元。支護(hù)總成本較常規(guī)支護(hù)降低25，經(jīng)濟(jì)效益顯著。 巷道實(shí)現(xiàn)了一次成巷，減少了巷