柠条塔煤矿厚煤层110工法关键问题研究

柠条塔煤矿厚煤层110工法关键问题研究切顶卸压无煤柱自成巷110工法是一种先进的无煤柱开采技术,是保持我国煤炭资源可持续发展的关键技术之一,亦是解决瓦斯与动力灾害、提高煤炭回收率、降低巷道掘进率、实现科学采矿的重要保障。本文采取理论分析、数值模拟、室内实验和现场试验等综合研究手段,从围岩结构切顶优化和稳定控制两大科学问题着手,系统研究了以预裂切顶为主导因素的无煤柱自成巷围岩结构运动规律,揭示了其运动稳定机理,最终开发了一套适用于厚煤层条件下的110工法围岩结构稳定控制技术。主要研究成果如下:(1)基于无煤柱自成巷力学机理,分析了沿空切顶巷道围岩结构演化过程和力学作用机制,建立了工作面超前区、成巷段动压区和成巷段稳压区全过程顶板演化力学模型,得出不同成巷位置顶板应力分布及挠度变形理论解。研究发现,成巷段动压区为留巷过程中最不稳定区域,有效提高动压区最低稳态系数、减少动压持续距离对留巷过程中的巷道稳定性控制极为重要。

基于理论分析结果,提出厚煤层无煤柱自成巷围岩结构切顶优化和协同承载的整体控制思路。(2)对工作面超前区钻孔围岩应力分布和聚能张拉爆破致裂机理展开研究。通过建立聚能爆破力学模型,分析了聚能爆破荷载作用下爆轰应力场分布规律,得出了双向聚能张拉成型爆破致裂机理。研究发现,钻孔顶板岩体受地应力场和爆破应力场共同影响,其一点的应力状态与爆轰荷载、埋深、切缝倾角、聚能方位等均有关系。

聚能爆破作用下顶板岩体受到聚能流的侵彻、冲击波和应力波的冲压和爆生气体的准静态压力综合作用,从而造成影响区内裂隙发育状态和扩展半径发生不同程度的变化。聚能切顶模式下,裂纹起裂和扩展压力均较自由爆破模式大,有效裂纹扩展半径也相应增加。(3)采用基于施载应力波和ALE算法的数值模拟方法,分别探究了普通爆破模式和聚能张拉爆破模式下顶板裂纹扩展演化规律和损伤控制效果。数值模拟发现,自由爆破模式下裂纹向四周扩展,巷道顶板极易被裂缝切割成散状块体,影响巷道稳定性。

聚能张拉爆破模式下,聚能装置有利于聚集爆炸能量,在顶板内形成定向裂隙,损伤面积较自由爆破模式大幅度减小,有效应力较自由方向增加了近一倍。现场预裂爆破增量试验表明,聚能装置可起到良好的能量导向作用,随着爆破能增

加,聚能裂纹沿设定方向起裂、扩展,最终孔内裂缝率近乎达到100%。数值模拟和现场试验均验证了聚能张拉爆破用于无煤柱自成巷顶板结构优化中的有效性和可靠性。(4)构建了工作面滞后区围岩结构宏观切顶效应的矿压参量表征体系,以采空区岩层垮落形态、留巷围岩应力分布、基本顶结构断裂步距、顶板岩层垮落滞后性、采空区矸体尺寸、碎石帮充填率及矸体碎胀稳定性等为表征因素,系统性地探究了切顶参数变化对工作面滞后区围岩结构垮落、压实、稳定等的影响规律。

数值模拟发现,预裂切缝有效地切断了巷道及采空区顶板之间的结构传递,顶板在切缝顶端位置发生垮落和折断,使得沿空巷道得以维护。但是,不同切顶条件下,垮落围岩的结构形态及对切顶短臂结构的承载作用不同,从而造成巷道顶板变形有一定差别。切顶高度变化影响的是空区矸体的碎胀情况及充填程度,合理的切顶高度应保证巷旁充满,并起到有效的支撑作用。切顶强度影响的是采空区顶板与巷道顶板间的接触限制程度,预裂爆破效果好,采空区顶板岩层在破断、垮落过程中对巷道顶板的影响扰动小,则留巷更稳定。

切顶角度主要影响巷旁矸体对切顶短臂结构的承载能力,垂直切缝巷道顶板变形最大,但切缝角度过大时,切顶短臂结构的长度和重量增加,反而不利于留巷稳定。现场试验发现,提高切顶强度有利于促进顶板垮落和矸体碎胀,导致作用在来压控制关键结构上的有效应力减小,从而增大来压步距、提高碎石帮充填率及减小矸体稳定距离。增强切顶效果可减小采空区顶板与巷道顶板间的层内粘聚力,从而加快顶板垮落速度,减小矸块尺寸。增加切顶高度可增大来压步距、提高碎石帮充填率、减小垮落滞后空间和稳定距离,切顶角度对各矿压参量影响较小。

(5)分析了沿空切顶巷道顶板结构演化过程,得出厚煤层快速回采切顶成巷围岩应力、位移传递机制,提出进行空间补偿,人为主动构建“基本顶上位岩层-采空区碎胀矸石-巷道切顶短臂梁”围岩稳定结构的巷道控制思路。顶板控制方面,提出以空区碎胀矸石为稳态承载体,恒阻变形主动支护结构、恒压可缩临时支护设备为巷内让压支护体,实现让压过程中可控让位。碎石帮控制方面,提出动压防冲、缓压让位和恒压稳控的多层次控制措施。其中,工作面架后6 m范围内为主要冲击区,架设自移式动压防冲结构可将挡矸结构的个体受冲转换为集体承压,有助于耗散冲击能。

矸体压实阶段为缓压过程,提出采用抗弯性更强的滑移式让位护帮结构。室内承载试验表明,该结构可保持恒载力实现与围岩协同变形,有效降低损坏率。同时,设计制造了波式多阻护帮结构,进一步提高了碎石帮整体稳定性。以上分区控制结构形成了应对顶板结构位态、碎石运动状态变化的无煤柱自成巷控顶和控帮技术。

研究成果在陕煤集团柠条塔煤矿厚煤层工作面成功应用,取得了良好的效果。