官地矿静态切顶卸压的参数设计研究

杜利伟

（山西焦煤电集团有限责任公司官地矿，山西 太原030022）

我国地域辽阔，能源产业发达，各类能源的存储量十分丰富，但总的来说我国的能源的分布仍是属于少气多煤，所以煤炭资源的开采成为了我国各行业发展的基础。随着我国大力发展重工业以来，煤炭资源的开采已经开始进入末期，我国必须提升煤炭资源的采出率和提升开采的合理性来保证生产生活的需求[1，2]。沿空留巷技术是近些年来提升煤炭的开采率和提升煤矿的开采时间的重要工艺，不仅可以提升出煤率同时还可以降低巷道的掘进成本提升煤矿的经济效益。但在沿空留巷处在采空区的周边，常常会受到采动的影响造成巷道的上赋岩层顶板发生变形，对工作面的开采造成巨大的影响[3，4]。为了解决巷道顶板的大变形，对巷道的上赋顶板进行切顶卸压，来减小巷道的围岩变形，保证工作面的开采安全[5]。本文以山西焦煤电集团有限责任公司官地矿（全文简称官地矿）12607工作面为基础，通过静力岩层爆破对巷道的上赋顶板进行卸压，为巷道的围岩稳定和煤矿的安全开采提供了指导和一定的理论指导。

1 研究背景

官地矿12607工作面12607工作面设计采长215 m，可采走向长717 m；煤层平均可采厚度2.41 m，可采储量44.55万t。地面位于要子庄村西南侧山坡上，坡上植被发育，黄治沟支沟从工作面上部穿过；地面标高：1 280～1 435 m，工作面2号煤层标高：1 019～1 065 m；盖山厚度：215～416 m，平均约316 m。工作面2号煤厚度2.41～3.50 m，平均2.81 m。老顶为砂泥岩，厚度约6.34 m，直接顶为炭质泥岩，厚度约0.6 m，直接底为泥岩，厚度约0.6 m，老底为中粒砂岩，厚度约10.34 m，工作面可采走向长717 m，倾斜长215 m，可采储量44.5万t。

2 静力切顶卸压机理研究

经过众多学者对沿空留巷技术的研究后发现，在工作面前20～30 m的范围内，检测到的巷道围岩变形和巷道支架的支架阻力都较小，巷道的围岩稳定性较好。在工作面前5～20 m和工作面后方5 m的的范围内，巷道的围岩变形量较大，巷道的顶板下沉量大，支架的支护阻力也明显增大，巷道的稳定性明显下降，对工作面的安全造成一定的影响。在工作面进行推进的过程中，巷道的上覆岩层的岩层首先发生顶板的离层现象，采空区的顶板会产生一定的悬顶，悬顶的重量会由巷道的围岩和煤体本身来承载，随着开采的不断进行，悬浮的岩层面积逐步增大，当悬顶的重量超过支撑的力时，岩体将会发生一定的垮落，当垮落达到稳定后，会形成砌体梁结构。直接顶的垮落带动上覆岩层发生垮落，随着垮落完成，巷道的完整性和稳定性增强。所以采用切顶卸压来进行巷道的稳定性的维护。

通过静力来切顶卸压，将基本顶的断裂区域移动到采空区一侧，进行切顶来填充采空区。为了更好的建立切顶卸压的力学模型，所以作出以下的假设，基本顶为实体煤与断裂处的旋转轴，垮落完成后的岩石充满采空区，忽略基本顶和直接顶之间的剪切应力，并且忽略支护作用，对钻孔的围岩进行应力分析。

利用破碎剂遇水会发生膨胀，在钻孔中的破碎剂膨胀后会对钻孔的围岩造成一定的挤压作用，当钻孔内的破碎剂增加大到一定的程度后，膨胀力增大到一定的程度后超过钻孔的围岩强度，此时钻孔会发生破裂，为了便于研究，对岩体中的钻孔受力情况进行简化处理，并对钻孔的受力情况进行研究。钻孔受力分析图如图1所示。

图1 钻孔围岩的受力分析示意图

考虑到膨胀剂随着时间膨胀的速度呈现出递增的趋势，钻孔的围岩受到膨胀剂的膨胀力也呈现出递增的趋势。

3 钻孔裂纹研究及布置距离研究

当钻孔的围岩受到超过压应力的破坏极限时，钻孔会产生一定的裂缝，裂缝随着膨胀剂的膨胀作用会出现裂缝的扩展，裂缝的扩展力学分析模型如图2所示。

图2 钻孔裂缝的扩展分析模型

如图2所示为静态的破碎剂裂缝发育的模型，其中裂纹一般可以分为俩部分，一部分为岩体内部原先就存在的原生裂缝，此类裂缝的宽度一般较窄，另一部分为岩体受到应力的作用产生的次生裂缝。本文为了更好的研究钻孔的裂缝扩展，默认钻孔的围岩无原生裂缝，且岩体的质地均匀，且各向同性。从模型可以看出，模型中的裂缝可以分为先发生的裂缝图中用a表示和后发生的裂缝b，当裂缝的长度较短时，默认钻孔作为裂缝的一部分，所以裂缝尖端的强度因子可以表示为：

式中：Ka为先发生的裂缝的强度因子；d为钻孔的直径；a为先发生的裂缝长度；q钻孔的围岩受到膨胀剂的膨胀力；t为裂缝发生的时间。

当裂缝的长度远大于钻孔的直径时，钻孔与裂缝可以视为裂缝与集中力的作用，其中集中力可以表示为：

在本次研究中,结果显示常规治疗加生长抑素治疗的总有效率达92.0%,而单纯常规治疗的总有效率为30.0%,两组对比差异显著;在住院时间、止血时间以及出血复发率等情况对比中,常规治疗加生长抑素治疗的住院时间为(6.7±0.8)d,而单纯常规治疗的住院时间为(9.5±1.2)d,且常规治疗加生长抑素治疗的止血时间为(30.7±10.5)h,而单纯常规治疗的止血时间为(56.9±1.2)h,两组对比差异显著;患者治疗后,出血复发率情况对比中,常规治疗加生长抑素治疗后未出现出血复发情况,而单纯常规治疗后出现4例出血复发情况的患者,可见,常规治疗加生长抑素治疗的出血复发率也低于单纯常规治疗。

式中：r为裂缝上的一点到钻孔中心的距离。

裂缝的先发生裂纹和后发生裂纹的强度因子可以表示为如下的公式：

式中：Kb为后发生裂纹的尖端强度因子；b为后发生的裂缝长度；P为集中力。

当钻孔中的膨胀剂受到水的作用发生膨胀，随着与水的接触时间不断增加，膨胀剂的膨胀压力也不断增加，钻孔的尖端在受到膨胀剂的作用下，尖端的强度因子不断增加，当岩石的极限强度小于钻孔尖端的强度因子时，钻孔的围岩发生起裂现象，随着应力的不断增加，裂缝开始发生扩展，当钻孔内部膨胀剂的膨胀力在随着的裂缝的起裂不断减小时，裂缝的扩展停止。一般来说当裂缝的扩展的停止时间是根据先发生裂纹的尖端和后发生裂纹的尖端的强度因子大小所决定的，一般来说由于先发生裂纹的扩展长度较长，所以裂缝的尖端的强度因子也更小，所以裂缝的扩展停止条件为：

式中：KIC为钻孔围岩的断裂韧度，N/mm3/2。

由于先发生裂缝的长度a＞b（后发生裂缝），所以先发生裂缝的长度可以作为钻孔的裂缝扩展长度，也作为钻孔的裂隙区域的半径。

为了确定钻孔的裂隙半径区域，由于岩石的断裂韧度的测定较为复杂，本文通过研究断裂韧度和单轴抗压强度的关系式对岩石的断裂韧度进行测定，断裂韧度和单轴抗压强度的关系式如下所示：

综合强度因子公式可得：

通过计算可以得出静态碎裂剂膨胀在钻孔内部的裂隙半径，确定了使用静态碎裂剂进行煤矿的顶板预裂时的钻孔合理布局为2a，为2倍的先发生裂纹的长度。

经过现场测量后发现，此矿山的上赋岩层的直接顶的岩石为砂质泥岩，经过测定得到砂质泥岩的抗压强度为30 MPa，基本顶为细砂岩，单轴抗压强度为52 MPa，通过对钻孔的试验发现，当钻孔的直径为70～90 mm时，膨胀剂对钻孔的围岩的压力最大为100 MPa，膨胀剂发生膨胀后体积扩大为原体积的2倍左右。考虑到在工程的温度和压力等原因，膨胀剂发生膨胀作用时并不能完全发挥效果，所以需要设定为工业的利用系数，本文设定了0.65，膨胀压力为65 MPa。所以基本顶设定的钻孔距离为：

根据计算可以的出基本顶的钻孔距设定为1 m符合理论计算。但为了保证切顶效果的可靠性和精确性，本文选取基本顶的钻孔距为0.9 m。

4 结论

1）本文利用静态破碎剂遇水膨胀的原理，将破碎剂注入钻孔中，利用膨胀作用对钻孔围岩的压力进行煤矿直接顶的静态卸压，并对钻孔的受力情况进行研究分析。

2）分析了钻孔受力后的钻孔周边的岩石裂缝起裂和扩展的力学情况，通过计算给出了钻孔破裂的裂隙半径为a。

3）根据计算给出基本顶的钻孔距设定为1 m。但为了保证切顶效果的可靠性，选取基本顶的钻孔距为0.9 m。