坚硬顶板预裂爆破切顶卸压关键参数研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：作者简介：张健（），男，河南永城人，工程师，年毕业于河南理工大学，现从事煤矿采掘技术管理工作。引用格式：张健，屈恒 坚硬顶板预裂爆破切顶卸压关键参数研究 能源与环保，（）：，（）：，坚硬顶板预裂爆破切顶卸压关键参数研究张健，屈恒（河南能源集团 永锦能源云盖山煤矿一矿，河南 禹州 ；河南神火集团有限公司 安全监察与应急管理局，河南 永城 ）摘要：以云盖山煤矿一矿 运输巷坚硬顶板地质条件为背景，为实现 预裂爆破切顶卸压巷旁 型钢棚支护 沿空留巷开采，应用数值模拟、理论分析和现场试验方法，研究了坚硬顶板条件下切顶钻孔深度、角度和爆破装药孔间距、装药量等关键参数。结果表明，预裂爆破切顶卸压减小了悬臂梁长度、降低了巷旁侧最大正应力和切应力，提高了悬臂梁稳定性，起到了较好的卸压作用；预裂爆破切顶钻孔深度、与铅垂线夹角 、孔间距 ，采用间隔装药爆破方式，每孔装药量 ，预裂缝贯通率最好、切顶卸压及成巷效果较好。关键词：坚硬顶板；切顶卸压；巷旁支护；预裂爆破；关键参数中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；切顶卸压无煤柱留巷技术，是由何满潮院士提出的，实现了“一面、一巷、零煤柱”开采 。切顶卸压成巷技术分主动和被动切顶 ，常用的主动方法有密集钻孔、深孔预裂爆破、水压致裂等。国内学者对留巷技术进行了大量的研究，如：万海鑫等 研究了爆破卸压机理，提出了超前爆破预裂顶板 单体锚索补强 液压支柱配合铰接顶梁 预筑混凝土砌块墙体支护留巷技术；郭鹏飞等 研究了坚硬软弱复合顶板切顶卸压爆破技术，得出在坚硬岩层中爆破，可使软弱、坚硬岩层同时跨断；张国锋等 分析了普通充填留巷和切顶卸压留巷成巷侧向顶板断裂的结构特征及围岩稳定过程；华心祝等 建立了沿空留巷巷旁支护阻力模型，分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护机理，提出了留巷支护技术改进建议；孙晓明等 研究了切顶卸压技术在薄煤层沿空留巷中的应用，确定了影响薄煤层切顶卸压效果的主要因素。上述研究成果大部分是围绕巷旁充填沿空留巷技术和薄煤层、复合顶沿空留巷技术开展的，涉及坚硬顶板留巷研究较少。本文以矿井 运输巷为 年第 期能源与环保第 卷工程背景，对坚硬顶板切顶卸压留巷关键参数进行研究。概况 综采面开采二煤层，走向长度 ，倾向长度 。工作面地质构造复杂程度中等，煤层厚度 ，平均厚 ，煤层倾角为 ，平均 。工作面直接顶为粗粒砂岩，厚 ，平均厚 ；基本顶为细粒砂岩，厚 ，平均厚 ；直接底为泥岩，厚 ，平均厚 。运输巷长度 ，沿二煤顶板掘进，采用锚网索支护方式，矿井在 运输巷采用预裂爆破切顶卸压巷旁 型钢棚支护沿空留巷。通过在 运输巷现场取钻心和实验室测试，得出直接顶粗粒砂岩和基本顶细粒砂岩抗拉强度分别为 、，抗压强度分别为 、，弹性模量分别为 、，泊松比均值分别为 、，内摩擦角为 ，黏聚力为 ，断裂韧度分别为 、。根据 工程岩体分类标准，运输巷围岩分类直接顶粗粒砂岩、基本顶细粒砂岩均属于坚硬顶板。悬梁结构力学模型和切顶卸压机理分析 切顶前后留巷顶板挠度曲线方程建立坚硬顶板悬梁结构力学模型，如图 、图 所示。利用悬梁理论对预裂爆破切顶卸压前、后的悬臂结构挠度进行推导，根据叠加原理得到坚硬顶板切顶卸压前、后沿空留巷的挠度曲线总方程，分别如公式（）和公式（）所示。图 切顶卸压前悬臂梁结构力学模型 图 中，为上边界施加载荷；为下边界承受实煤体支撑力；为巷旁支护阻力；为侧向煤体应力极限平衡区宽度；为预留巷道宽度；为巷旁支护体宽度；为巷道顶板悬顶长度。图 切顶卸压后悬臂梁结构力学模型 （）切顶卸压前留巷挠度曲线总方程。前（）（）（）（）()（）（）（）式中，前（）为切顶卸压前留巷的挠度曲线总方程；（）为只考虑弯曲作用下切顶卸压前留巷的挠度曲线方程；（）为只考虑剪切作用下切顶卸压前留巷的挠度曲线方程；为弹性模量；为岩梁横截面的惯性矩；为切割模量；为横截面积。（）切顶卸压后留巷挠度曲线总方程。后（）（）（）（）()（）（）（）式中，后（）为切顶卸压后留巷的挠度曲线总方程；（）为只考虑弯曲作用下切顶卸压后留巷的挠度曲线方程；（）为只考虑剪切作用下切顶卸压后留巷的挠度曲线方程。切顶卸压机理分析 切顶卸压前后巷旁位移分析根据切顶卸压前、后留巷挠度曲线方程，推导沿空留巷前、后巷旁位移方程，基于控制变量法分析巷旁侧位移量与悬臂梁长度、厚度的关系，如图 所示。由图 可知，悬顶长度越大，其承载的上覆岩层应力越高，这部分载荷将直接作用于实煤体侧、沿空留巷顶板、巷旁支护体上，增加了留巷围岩的变形量，危害留巷的稳定性；对于给定的悬梁长度，随着悬梁厚度增大，巷旁位移量逐渐减小，悬梁稳定性逐渐增强，悬臂结构更加稳定，其承载能力不断加大，年第 期张健，等：坚硬顶板预裂爆破切顶卸压关键参数研究第 卷这部分载荷将直接作用于实煤体侧、沿空留巷顶板、巷旁支护体上，增加了留巷围岩变形和顶板下沉量。图 巷旁位移量与悬臂梁长度、高度关系曲线 切顶卸压前后巷旁应力分析根据留巷巷旁侧应力公式，基于控制变量法分析悬顶长度与横截面应力的关系，如图 所示。图 横截面应力值与悬顶长度关系曲线 由图 可知，对于给定的悬顶高度 ，切顶卸压前巷旁悬臂梁横截面最大正应力随悬顶长度的增加而增大，增大的幅度较大，最大切应力随悬顶长度的增加而增大，整体幅度不大；对于给定的悬梁，其应力越大，梁的承载力越差、稳定性越低、越容易发生断裂破坏，从而破坏留巷围岩的稳定性。在坚硬顶板中进行预裂爆破切顶卸压，能有效减小悬臂梁长度、降低巷旁最大正应力和切应力、提高悬臂梁稳定性、减小围岩变形量。预裂爆破切顶卸压关键参数确定 切顶钻孔参数的确定（）切顶孔位置。切顶孔的位置即开孔处距 运输巷巷道上帮的距离。根据切顶卸压沿空留巷技术原理，切顶孔距巷道上帮越近越好，但考虑到巷道上帮变形、型自动成巷超前切缝钻机技术参数，确定切顶孔距巷道上帮间距为 ，且切顶孔保持一条直线。（）切顶孔深度。采用数值模拟和理论计算方法确定切顶孔深度。根据 运输巷地质情况，建立 数值试验模型，模拟切顶孔深度分别 、不同高度下垂直方向位移、应力分布云图，如图 所示。图 切顶孔深度 垂直位移、应力分布云图 通过对比分析可知，切顶孔深时，采空区侧顶板沿切缝面垮落的矸石与基本顶上位岩层之间有明显空隙，矸石碎胀后无法充分有效支撑上覆岩层，后期将造成留巷围岩变形；切顶孔深时，矸石碎胀后可有效支撑上覆岩层，矸石与基本顶上位岩层 年第 期能源与环保第 卷之间的间隙减小，巷道顶板下沉量、底鼓量和实体煤帮部移近量大幅度降低，留巷稳定性显著提高；当切顶高度 时，与相比较，巷道顶板下沉量、底鼓量和实体煤帮部移近量稍微增大，但增幅值较小，说明切顶效果与 相比，基本一致。当切顶高度 时，巷旁支护单体液压支柱压力为 ，沿空留巷顶板受力为 ，留巷稳定性较差，未达到预期切顶卸压效果；当切顶高度 时，巷旁支护单体液压支柱受力为 ，沿空留巷顶板受力为 ，相比切顶高度时下降幅值较大；当切顶高度 时，与相比较，应力稍稍下降，但很不明显。因此说明，当切顶高度时，如继续增大切顶高度，反而造成留巷顶板受力增大、切顶卸压效果减弱。理论计算：切顶孔深度（）计算如式（）。（煤 ）（）（）式中，为切顶孔深度；煤为采高；为顶板下沉量；为底鼓量；为岩石碎胀系数，。取 ，不考虑底鼓量、顶板下沉量，按采高为 ，得到切顶孔深度为 。再考虑到巷道直接顶、基本顶的平均厚度总和为 ，最终确定合理的切顶孔深度为 。（）切顶孔角度。切顶孔角度是指切顶钻孔与铅垂线的夹角。切顶预裂爆破后，为避免顶板出现大面积下沉，施工切顶孔方向偏向采空区一定角度。采用数值模拟方法确定切顶孔角度，均以切顶高度，对比分析切顶孔角度 、时留巷围岩应力及位移变化，如图 所示。图 切顶孔角度 、垂直位移分布 ，通过对比分析，切顶孔角度 时，留巷顶板下沉量最大为 。采空区顶板垮落对留巷顶板悬臂梁结构有明显的压力作用，造成顶板下沉变形。当采空区矸石垮落压实稳定后，只对上覆岩层有垂直支撑作用，而对悬臂梁结构没有侧向支撑作用，降低了留巷的稳定性；切顶孔角度 时，留巷顶板下沉量整体降低，下沉量为 。采空区垮落的矸石不仅对上覆岩层有垂直支撑作用，而且对悬臂梁结构起到侧向支撑作用，降低了留巷的压力，减小了留巷顶板的下沉量，提高了巷道围岩的稳定性。切顶孔角度 时，留巷顶板下沉量整体增大，下沉量为 。悬臂梁的长度随切顶孔角度增大而增大，自身所受重力加大，造成对留巷顶板的压力大于垮落矸石对短悬臂梁结构的侧向支撑作用，导致巷道顶板下沉量整体增大。由此说明，如继续增大切顶孔角度，反而不利于留巷的稳定性。综上分析，以切顶高度 ，确定合理的切顶孔角度为 。预裂爆破参数的确定采取现场爆破试验和检测的方法确定切顶钻孔爆破装药间距和装药量。试验参数和方案根据施工切顶钻孔所用 型自动成巷超前切缝钻机参数，设计预裂爆破切顶钻孔直径为 ，切顶钻孔深度 ，角度为 。切顶预裂爆破采用 材质的 型聚能管，单根长度为 。炸药选用煤矿许用三级水胶炸药，规格为 ，卷，单孔装药 ，采用黄泥、水泡袋封孔长度 。采用煤矿许用毫秒电雷管，段别为同一段，每孔装 发雷管，连线采用串联方式，正向起爆。试验方案为采取间隔装药爆破，个爆破孔中间留有非装药导向孔，分别对眼间距为 、进行连孔爆破试验。试验结果利用钻孔窥视仪对爆破钻孔及导向孔进行现场检测、分析，如图 所示。（）眼间距 爆破后（图 （），爆破效果一般，裂隙发育无规律性、方向性，孔口至 段有少量裂隙，至孔底裂隙分布较少。年第 期张健，等：坚硬顶板预裂爆破切顶卸压关键参数研究第 卷图 不同眼间距爆破钻孔、导向孔窥视 （）眼间距 爆破后（图 （），孔口至段有明显裂隙，但裂隙发育的规律性、方向性较差，至孔底裂隙明显减少。（）眼间距 爆破后（图 （）、（），爆破钻孔 段预裂爆破效果较好，围岩裂隙发育程度较高；两侧导向孔孔口至段可见明显裂隙，段可见一条明显纵向裂隙，表明爆破孔两侧导向孔爆破效果较好，爆破孔产生的爆轰波能有效传递至两侧导向孔。通过现场爆破试验和检测结果，确定合理的切顶钻孔爆破装药间距为 ，单孔装药量 。沿空留巷效果分析为了分析确定的切顶卸压沿空留巷合理参数在 运输巷实施效果，通过建立矿压观测站、安装压力枕等，对巷道进行了表面位移、顶板离层和锚索受力矿压监测，如图 图 所示。（）在超前支撑压力作用下，巷道围岩经历开始变形、剧烈变形、趋于平缓和围岩稳定 个阶段，各阶段分别为距工作面 ，滞后工作面 、。（）超前工作面 时，巷道顶板开始离层；滞后工作面 时，离层速度较快；滞后工作面 后，离层趋于稳定。（）超前工作面 时，锚索受力从 开始增大，直至回采过测点 时，受力最大 ，然后逐渐降低，滞后工作面 时，受力稳定在 ，说明采空区侧顶板已沿预裂切顶面断裂并垮落。结论（）建立了坚硬顶板悬臂梁结构力学模型，理论分析了留巷顶板的位移和应力分布。通过切顶卸压方式，减小了坚硬顶板悬臂梁长度，降低巷了旁最大正应力、切应力，提高了悬臂梁稳定性、减小了围岩变形量，为坚硬顶板条件下切顶卸压沿空留巷提供了理论基础。（）基于岩体碎胀理论，通过数值模拟结果表 年第 期能源与环保第 卷图 巷道表面位移监测曲线 图 巷道顶板离层监测曲线 图 锚索受力监测曲线 明，坚硬顶板切顶高度的变化主要影响采空区的充填程度和短悬臂梁厚度，合理的切顶高度能有效充填采空区并支撑上覆岩层，增加沿空留巷的稳定性。（）采用 型聚能管切顶卸压预裂爆破，通过理论分析和现场试验，确定了预裂爆破切顶钻孔施工参数；应用观测孔定向导裂技术，间隔装药，有利于爆破裂缝的扩展和贯通。（）以确定的切顶钻孔深度、角度 ，预裂爆破装药孔间距 、单孔装药量 ，在矿井 运输巷坚硬顶板地质条件下成功实施了预裂爆破切顶卸压巷旁 型钢棚支护沿空留巷技术，对坚硬顶板地质条件矿井应用切顶卸压沿空留巷技术具有借鉴意义。参考文献（）：何满潮，马新根，王炯，等 中厚煤层复合顶板切顶卸压自动成巷工作面矿压显现特征分析 岩石力学与工程学报，（）：，（）：马新根，何满潮，李先章，等 切顶卸压自动成巷覆岩变形机理及控制对策研究 中国矿业大学学报，（）：，（）：陈上元，何满潮，郭志飚，等 深部沿空切顶成巷围岩稳定性控制对策 工程科学与技术，（）：，（）：高玉兵，王炯，高海南，等 断层构造影响下切顶卸压自动成巷矿压规律及围岩控制 岩石力学与工程学报，（）：，（）：何满潮，高玉兵，杨军，等 厚煤层快速回采切顶卸压无煤柱自成巷工程试验 岩土力学，（）：，（）：张宇宁 大倾角中厚煤层沿空留巷理论及技术 重庆：重庆大学，万海鑫，张凯，陈冬冬，等 轿子山矿切顶卸压沿空留巷技术 煤矿安全，（）：，（）：（下转第 页）年第 期秦伟超，等：高地应力综放沿空留巷围岩失稳机理及控制技术第 卷用 煤炭工程，（）：，（）：赵社会，张广杰，王文 深埋薄基岩综放工作面切顶卸压沿空留巷围岩协同控制技术研究 河南理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：赵社会，张广杰，王文 深埋薄基岩综放面切顶留巷围岩结构演化规律 煤炭技术，（）：，（）：李艳飞，张广杰，王文 综放切顶沿空留巷围岩变形特征分析及防治 能源与环保，（）：，（）：李东印，张景轩，郑立军，等 密集钻孔弱化底分层顶板沿空留巷技术 煤矿安全，（）：，（）：闫志强 近距离采空区下沿空留巷围岩稳定性控制技术 煤炭工程，（）：，（）：马菁花，杜文春，卢正法，等 受采动影响综采工作面矿压显现特征数值模拟分析 中州煤炭，（）：，（）：高玉兵，杨军，张星宇，等 深井高应力巷道定向拉张爆破切顶卸压围岩控制技术研究 岩石力学与工程学报，（）：，（）：陈上元，何满潮，郭志飚，等 深部沿空切顶成巷围岩稳定性控制对策 工程科学与技术，（）：，（）：李琰庆，李志红 沿空留巷围岩失稳机理与控制技术 煤矿支护，（）：，（）：，黄星 沿空留巷围岩失稳机理与支护关键 黑龙江科技信息，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）郭鹏飞，张国锋，陶志刚 坚硬软弱复合顶板切顶卸压沿空留巷爆破技术 煤炭科学技术，（）：，（）：张国锋，许有青，葛鹏涛 唐山沟矿厚层砂岩顶板切缝沿空成巷试验研究 岩石力学与工程学报，（）：，（）：华心祝 我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议 煤炭科学技术，（）：，（）：华心祝，马俊枫，许庭教 锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿空留巷围岩控制机理研究及应用 岩石力学与工程学报，（）：，（）：李迎富，华心祝 沿空留巷上覆岩层关键块稳定性力学分析及巷旁充填体宽度确定 岩土力学，（）：，（）：孙晓明，刘鑫，梁广峰，等 薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参数研究 岩石力学与工程学报，（）：，（）：