深孔卸壓爆破技術(shù)改善煤巷支護(hù)的試驗(yàn)研究

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 針對大采深高流變軟巖巷道掘進(jìn)難以支護(hù)的問題，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，隨著開采深度的不斷加大，采礦工程面臨的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。國內(nèi)外學(xué)者針對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)針對萬年礦南翼采區(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 問題提出
萬年礦主要生產(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)?。破壞后巷道不能滿足運(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，進(jìn)行改善支護(hù)效果的研究。
2 試驗(yàn)巷道條件
萬年礦位于峰峰煤田西北，礦井年生產(chǎn)能力為150萬t。礦井采用斜井多水平聯(lián)合布置的開拓方式和盤區(qū)前進(jìn)、區(qū)內(nèi)后退式開采。地層為單斜構(gòu)造，斷層密布，煤層傾角變化在4～55°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3.0～4.5m，平均厚度3.8m。煤層傾角7～15°。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)砂巖，厚6.3m。
3 巷道破壞分析
掘進(jìn)初期來壓快，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?！?BR>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)、非線性及復(fù)雜的加載條件和邊界條件。這使得其穩(wěn)定性問題通常無法用解析法簡單地求解，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題，并對工程進(jìn)行預(yù)測預(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)格中的多面單元來擬合實(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?、?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度為20m，垂直走向高度為25m，巖層傾角12°。模型材料特性見下表。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，為減少邊界對入射爆炸波的反射,指定模型四周為自由場邊界。數(shù)值模擬過程分為：①自重應(yīng)力場下的平衡；②分布開挖及基角深孔爆破對圍巖的應(yīng)力變形的影響；③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 0.13e04 0.12 0.07 1.06 22.4 1.5
煤 0.06e04 0.15 0.01 1.1 12.3 2.2
頁 巖 0.08e04 0.15 0.02 1.3 23.1 2.4
細(xì) 砂 巖 0.08e04 0.12 0.03 1.12 24.5 7.2
節(jié) 理 － － 0.0015 0.24 － －

4.3 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、巷道開挖期間的變形及巷道支護(hù)后到趨于穩(wěn)定前的這個(gè)期間的變形。其變形原因是由于開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)在巷道周圍淺部圍巖內(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)向巷道深部轉(zhuǎn)移，爆破松動(dòng)圈(圍巖松動(dòng)范圍)為巷道半徑的3～4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)圈以內(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
①13278工作面運(yùn)輸巷圍巖在自重、開掘及支護(hù)后到趨于穩(wěn)定前的這個(gè)期間變形量很大，開挖巷道對圍巖變形影響最大。
②13278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％。
③開挖巷道破壞了其原巖應(yīng)力狀態(tài)，巷道周圍淺部圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，集中應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度，在塑性破壞形成過程中引起圍巖向巷道空間位移。巷道周圍淺部圍巖出現(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。
④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。
⑤13278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。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圍表層一定范圍內(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)就能保持長期穩(wěn)定。由支架和卸壓圈圍巖雙重保持內(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，與巷道中心線對稱布置，與水平線呈向下傾斜45°，長度取為4.0m。卸壓孔間距設(shè)計(jì)與裝藥量有關(guān)，通過試驗(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，炮泥充填長度不少于1.5m。使用爆破材料種類與前頭掘進(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
8.1 支架受力觀測
8.1.1 觀測點(diǎn)布置
支架受力觀測的目的是為了進(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)。支架受力觀測采用液壓枕對U型鋼支架作承載量測。巷道內(nèi)每50m設(shè)一觀測站，測力點(diǎn)布置在巷道兩側(cè)分別距底板200mm和1000mm(即拱基線)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 觀測數(shù)據(jù)分析
支架自巷道開挖后3～5天開始受力，巷道開挖后25～33天巷道基本達(dá)到穩(wěn)定，以后支架受力增加很緩慢，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25～45MPa，直接頂抗壓強(qiáng)度為23～48MPa，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。
巷道開挖后30天支架受力約為常規(guī)支護(hù)的12.5～10%(常規(guī)支護(hù)時(shí)支架受力28～13 MPa， 平均20.5 MPa)。
8.2 圍巖位移和表面收斂觀測
8.2.1 測點(diǎn)(站)布置
觀測儀器用Dd一6型多點(diǎn)位移計(jì)。巷道內(nèi)每50m設(shè)1個(gè)觀測站,每個(gè)測站布置三個(gè)觀測點(diǎn)，觀測點(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)測點(diǎn)分別用來觀測巷道表面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。巷道開挖后50天巷道達(dá)到穩(wěn)定。從巷道整體觀測看，變形量很小，巷道沒有受到破壞，說明支護(hù)設(shè)計(jì)是成功的。
8.2.3 多點(diǎn)位移計(jì)觀測數(shù)據(jù)分析
巷道圍巖的總位移量隨著巷道開挖后時(shí)間的延續(xù)而增大。巷道開挖初期位移速度快，以后位移速度逐漸變慢，并逐漸趨近于零。一般地,開挖后30天巷道基本達(dá)到穩(wěn)定,巷道開挖后50天停止位移。
巷道開挖后50天，巷道表層0～800mm范圍內(nèi)圍巖位移量為2～lmm，距表面800～1500mm范圍內(nèi)圍巖位移量為2～lmm，距表面1500～2200mm范圍內(nèi)圍巖位移量為3～lmm，距表面2200～3000mm范圍內(nèi)圍巖位移量為4～2mm，距表面3000～4000mm范圍內(nèi)圍巖位移量為8～3mm，距表面4000—5000mm范圍內(nèi)圍巖位移量為12～4mm。
從觀測數(shù)據(jù)分析，巷道表層0～2200mm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2200～3000mm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3000～5000mm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2～3個(gè)月維護(hù)一次、4～6個(gè)月徹底維修一次，從掘進(jìn)開始邊掘進(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，減少了巷道維修時(shí)間，提高了掘進(jìn)速度，緩解了采、掘銜接矛盾，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效創(chuàng)造了條件，綜合效益顯著。
巷道維修過程不安全因素很多，管理復(fù)雜，安全容易出問題。巷道掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)一次成巷后就為安全創(chuàng)造了良好條件。
10 存在的問題與今后方向
由于鉆眼工具限制，在煤層底板巖層中鉆傾角45°、深4.0m的炮眼有一定的困難。下一步需研究減小卸壓炮眼深度、密集度和數(shù)量以及在煤層或頂板中卸壓爆破方法。

作者簡介 周金城 男,1967年生 ,河北礦業(yè)學(xué)院畢業(yè)?，F(xiàn)在峰峰集團(tuán)公司生產(chǎn)處工作, 高級(jí)工程師。郵政編碼：056201

(收稿日期:2005-05-10;責(zé)任編輯:張少波)