坚硬顶板膨胀静力切顶技术研究.pdf

图 1模型示意图图 2模拟应力（Pa）云图坚硬顶板膨胀静力切顶技术研究吕贵鹏（山西省山西焦煤西山煤电西曲矿，山西太原030200）摘要：为了解决坚硬顶板难垮难落的问题，利用数值模拟对静力切顶进行分析，先对其切顶过程进行分析，后对切顶高度及切顶角度对切顶效果的影响进行分析，最终确定最佳切顶高度为 6 m，最佳切顶角度为 10。将切顶参数应用于实践发现，膨胀剂在 8 h 完成水化反应，可对顶板实施致裂，端头支承应力得到有效控制，端头最大支承应力从 26 MPa 降低至 17.58 MPa，膨胀致裂试验成功。关键词：坚硬顶板；静力切顶技术；膨胀；数值模拟中图分类号：TD327文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0088-020引言坚硬顶板难垮难落的问题一直制约着我国煤层开采进程。据统计，我国约 40%以上的煤层存在坚硬顶板问题。由于坚硬顶板的存在，导致煤矿开采过程中的顶板很难随采随落，形成大面积的悬顶，而悬顶一旦发生垮落（垮落面积较大），会对矿井安全开采造成严重的威胁，同时由于悬顶的存在，会对无煤柱开采的工作面造成巷道围岩变形量增大问题，导致支护成本增高，而也会对留设煤柱开采的矿井造成留煤柱尺寸增大、降低矿井企业效益等问题。因此，对坚硬顶板进行治理是一项重要的研究课题1-2。在我国，针对坚硬顶板的治理方法通常有爆破切顶卸压、水力压裂切顶、静力切顶等3-4，每种切顶方案均具备其使用的优越性，本文考虑到矿井的绿色要求，对静力切顶进行研究，利用数值模拟软件对静力切顶参数进行深入分析，为矿井坚硬顶板的治理提供一定的参考。1模拟分析采用 RFPA 软件对静力切顶即膨胀剂切顶过程进行模拟，首先进行模型的建立。模型采用二维模型，模型长宽为 130 cm130 cm，对模型进行网格划分，网格尺寸为 1 cm1 cm，模型网格数为 1.69104个。对模型参数进行设定，模型参数选用坚硬顶板试验参数，参数如下：密度 2 200 kg/m3、剪切模量 1.12 GPa、体积模量 1.86 GPa、抗拉强度 1.5 MPa、抗压强度69.78 MPa、黏聚力 4.2 MPa、内摩擦角为 27。完成模型参数设定后，对模型的边界条件进行设定，施加围岩应力 0.5 MPa，在模型的中心开挖直径 60 mm 的压裂孔，在钻孔内部施加膨胀力，初始膨胀力为 1 MPa，每步增加 0.2 MPa，共计 50 步。模型边界为不透水边界，限制模型的上下级左右位移，同时为了方便后续观察，在模型的横向中心设定监测线，用于监测压裂情况，模型示意图如 1 所示。对模型进行计算，计算完毕后对钻孔膨胀致裂的过程进行分析，选定第 40 步进行分析，模型膨胀致裂发育模拟云图如 2 所示。从图 2 可以看出，在模拟的初期，此时的两钻孔周围出现一定范围的应力增高区，但此时的应力并未达到模型的破坏强度，模型并未出现明显的裂缝。随着模拟步数的增加，此时模型钻孔边缘受力超过模型的破坏强度，开始出现裂缝，裂缝呈现“一”字型，裂缝沿着水平方向发展，当设定钻孔间排距后，随着裂缝的扩展，相邻裂缝完成连接，形成一条贯通“一字型”裂缝，此时裂缝完全贯通，满足切顶要求。为了将更好的压裂参数应用到工程实践，对不同压裂参数下的压裂效果进行分析，从而给出最佳的切顶方案，首先对不同切顶高度进行分析，进行三维建模，模型的长宽高为 300 m1 m80 m，根据实际地质情况对其物理参数进行设定。完成建模后对其进行计算分析，首先进行切顶高度分析，分别选定切顶高度 4 m、5 m、6 m 三种情况进行分析，选取切顶角收稿日期：2023-03-22作者简介：吕贵鹏（1980），男，山西太原人，毕业于湖南科技大学采矿工程专业，本科，主要从事采矿相关工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.034+1.155e+07+1.088e+07+9.998e+06+9.112e+06+8.227e+06+7.341e+06+6.455e+06+5.570e+06+4.684e+06+3.798e+06+2.913e+06+2.027e+06+1.141e+06+2.558e+05-4.508e+04理论研究2023 年第 9 期度为 0，得到不同切顶高度下的覆岩应力曲线如图3 所示。从图 3 可以看出，在未进行切顶时，在模型 100 m处形成应力集中，应力集中的最大值为 9.53 MPa；在膨胀切顶高度为 4 m 时，模型在 100 m 处的集中应力最大值为 9.24 MPa；当切顶孔高度为 5 m 时，应力集中最大值为 9.03 MPa；当切顶高度为 6 m 时，最大应力值为 8.46 MPa，由于经过切顶，此时顶板的应力传递得到有效控制，同时顶板切落的矸石充填采空区，使得顶板得到有效控制。且当切顶高度为 6 m 时，此时的应力集中最大值较无切顶的 9.53 MPa 降低了11.2%。因此，将切顶的最佳高度确定为 6 m，此高度可使围岩应力环境得到较好地控制。在确定最佳切顶高度后，对不同的切顶角度切顶效果进行分析，选定切顶角度为 0、10、20、30四种切顶角度下的顶板卸压效果曲线如图 4 所示。从图 4 可以看出，在切顶高度 6 m 条件下，当工作面回采至模型 100 m 处时，不同切顶角度下的切顶效果与切顶高度效果曲线类似，由于切顶角度 0时在上文已经分析，所以在此不再赘述。当切顶角度为 10时，在模型的 100 m 处的应力集中最大值为7.72 MPa；当切顶角度增大至 20时，此时的集中应力为 9.03 MPa，较切顶角度 10时集中应力明显增大；继续增大切顶角度至 30，此时的集中应力为7.87 MPa，较切顶角度 20时有了大幅度地降低。综合对比集中应力可以看出，当切顶角度为 10时切顶效果最佳，切顶角度为 30时次之，切顶角度 20的切顶效果最差。当切顶角度为 10时，对比未切顶的应力集中最大值 9.53 MPa，降低幅度为 18.9%，因此确定切顶角度的最佳值为 10。2应用分析对切顶参数的切顶效果进行分析，将切顶孔布置于切顶排，选择切顶排长度为 3 m，第 1 个钻孔距巷帮 0.5 m，钻孔的间距为 0.4 m，设定钻孔长度为 6 m，切顶角度为 10，钻孔直径 60 mm，共施工 6 个钻孔。对膨胀致裂切顶进行试验，选取 2 天内相同时间点切顶与不切顶情况下的工作面端头支承压力数据进行对比，对比曲线如图 5 所示。从图 5 可以看出，在 8 h 内的端头支承压力无明显规律，而在 8 h 后的膨胀致裂曲线端头支承压力曲线快速下降，压力值从 26.1 MPa 降低至 23 MPa，降低了 3.1 MPa，并在后续的时间段内，端头支承压力进一步下降，最低为 12 h 后的 17.58 MPa，而未切顶的端头支承压力曲线则无明显的变化。由此得出，膨胀剂在 8 h 完成水化反应，可致裂顶板，同时经膨胀致裂后巷道的变形能够得到有效控制，膨胀致裂试验成功。3结论1）对不同切顶高度下的切顶效果进行分析，发现在切顶高度 4 m、5 m、6 m 三种情况下，随着切顶高度的增大，集中应力呈现降低趋势，最佳切顶高度为 6 m。2）对不同切顶角度下的切顶效果进行分析，发现当切顶角度为 10时，对比未切顶的集中应力为9.53 MPa，降低了 18.9%，切顶效果最佳。3）对膨胀致裂进行应用分析，发现膨胀剂在 8 h完成水化反应，可致裂顶板，端头支承应力得到有效控制，膨胀致裂试验成功。参考文献1苏岳嵘.深部矿井坚硬顶板切顶卸压参数分析研究J.煤，2023，32（1）：83-86.2赵中伟.基于薄煤层坚硬顶板工作面的沿空留巷技术研究J.能源与节能，2022（12）：136-138.3张洪鹏.回采面采空区悬顶膨胀致裂切顶卸压技术应用J.江西煤炭科技，2022（4）：108-110.4李文龙.动压影响巷道水力压裂切顶卸压技术研究J.煤炭工程，2020，52（8）：54-59.（编辑：武倩倩）（下转第 105 页）图 3不同切顶高度下的覆岩应力曲线图 4不同切顶角度下的覆岩应力曲线图 5端头支承压力曲线121086420050100150200模型长度/m无切顶孔6 m 切顶孔5 m 切顶孔4 m 切顶孔12108642050100150200模型长度/m0切顶孔30切顶孔20切顶孔10切顶孔30252015105123456789101112时间/h不切顶时膨胀预裂吕贵鹏：坚硬顶板膨胀静力切顶技术研究89窑窑2023 年第 9 期降量为 3.5 m。3）评价了龙泉煤矿 4204 试点工作面水资源承载力（级别为承载中度），表明 4204 工作面采动会对矿区浅表水资源承载力产生一定影响，但水资源对生态环境的承载能力仍在阈值范围之内，不会造成破坏性影响，验证了 4204 工作面开采参数的可行性。参考文献1闫晓萌.透射槽波方法在中厚煤层隐伏小断层探测中的应用J.山东煤炭科技，2022（10）：174-175.2常伟琦.深孔定向千米钻机在煤矿探测老空水方面的运用J.煤炭科技，2019（6）：105-107.3李晓旭.综合地质勘探方法在麻家梁矿的应用J.同煤科技，2018（1）：24-26.4孟宪国.煤田钻探超千米钻探施工工艺J.中国新技术新产品，2010（7）：148-149.5邵泽渠.板集煤矿 110504 轨道顺槽 BF36 断层超前治理技术J.能源技术与管理，2022（6）：65-67.（编辑：武倩倩）Treatment Technology of Floor Confined Water During Water Conservation MiningTan Jian（Taiyuan Coal Gasification Longquan Energy Development Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030300,China）Abstract:The focus was on analyzing the migration of overlying rocks and changes in shallow water level in the development area of surfacegullies in the 4204 working face,evaluating the carrying capacity of shallow water resources in the working face,and clarifying the feasibilityof mining parameters in the working face.The observation of surface subsidence caused by mining in the working face is carried out,andmethods for controlling cracks in surface subsidence basins are proposed,achieving protective mining of shallow water resources in theworking face.Key words:mine;shallow water;protecting mining;feasibility studyResearch on the Technology of Static Roof Cutting with Expansion of Hard RoofLv Guipeng（Xiqu Mine of Shanxi Coking Coal Xishan Coal Electricity Group Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030200,China）Abstract:In order to solve the problem that hard roof is difficult to collapse and fall,this paper uses numerical simulation to analyze thestatic roof cutting,first analyzes its roof cutting process,then analyzes the impact of roof cutting height and roof cutting angle on the roofcutting effect,and determines that the best roof cutting height is 6 m,the best roof cutting angle is 10,and then applies the roof cuttingparameters.It is found that the expansion agent completes the hydration reaction in 8 hours to crack the roof.The end bearing stress waseffectively controlled.The maximum end bearing stress was reduced from 26 MPa to 17.58 MPa.The expansion cracking test was successful.Key words:hard roof;static top cutting technology;expansion;numerical simulation现随着推采速度的增加，巷道顶板的下沉量呈现逐步增大的趋势。3）对工作面面长对顶板下沉量的影响进行分析，发现随着工作面面长的增加，巷道顶板的下沉量呈现增大的趋势。参考文献1付玉平，张家禄，李川田，等.高强度开采工作面超前支承压力的推进速度效应J.煤炭技术，2022，41（9）：14-17.2王方田，邵栋梁，牛滕冲，等.浅埋高强度开采回撤巷道煤柱受载特征及累积损伤机制J.岩石力学与工程学报，2022，41（6）：1 148-1 159.3戴华阳，罗景程，郭俊廷，等.上湾矿高强度开采地表裂缝发育规律实测研究J.煤炭科学技术，2020，48（10）：124-129.4王志山.综放高强度开采地表沉陷变形规律实测研究J.矿山测量，2018，46（4）：69-72.（编辑：武倩倩）Numerical Simulation Study on Key Parameters of High Strength MiningYao Jingjing（Xishan Coal Electricity Group Xiqu Mine,Taiyuan Shanxi 030000,China）Abstract:In order to solve the problem of serious deformation of surrounding rock in high-intensity mining face,this paper uses numericalsimulation software to analyze the key parameters of high-intensity mining.First,the stress of roadway surrounding rock is analyzed by thepushing mining speed and face length.It is found that with the increase of pushing mining speed and face length,the peak value of advancesupport pressure is gradually increasing.At the same time,the influence of pushing mining speed and working face length on roof subsidenceis analyzed,and it is found that with the increase of pushing mining speed and working face length,the roof subsidence of the roadwaypresents an increasing trend,which provides a certain reference for the stability control of surrounding rock in high-intensity mining.Key words:numerical simulation;high intensity mining;push mining speed;length of working face（上接第 69 页）（上接第 89 页）姚京京：高强度开采关键参数数值模拟研究105窑窑