无煤柱自成巷切顶高度与切顶角度参数研究

2024-01-15孙新磊

现代矿业 2023年12期

王甲孙新磊李伟

（临沂矿业集团菏泽煤电有限公司）

无煤柱自成巷是利用切落顶板的岩石碎胀性代替巷旁充填体的采煤护巷技术［1-3］。该方法通过预裂爆破技术将顶板进行切落，一方面改变了巷道顶板与采空区顶板的结构传递方式，优化了卸压效果。一方面降低了巷道支护成本，使巷道围岩更加稳定［4-5］。

总结研究成果可知，无煤柱自成巷是一种有效的控制矿业显现与维护巷道变形的工程技术，在以往的研究过程中，多注重于工程的实际应用案例，而对切顶参数的变化对顶板变形以及与围岩作用规律的研究较少。为探究切顶关键参数对切顶护巷效果的影响，以聚能预裂爆破技术作为理论出发点，利用数值模拟方法重点研究切顶高度与切顶角度影响切顶效果的力学机制。

1 聚能预裂爆破技术作用机理

无煤柱自成巷切顶技术与传统的沿空留巷技术有明显区别，相比于传统的沿空留巷技术额外采用了顶板预裂爆破的强制放顶技术，通过设计预裂切缝、控制切缝高度与切缝角度，将顶板在一定范围进行切落，并使切落的顶板用以护巷处理。在实际工程中，实施预裂爆破需要保证顶板可以被有效切落，同时又不损伤巷道上方顶板的完整性，因此，对于爆破技术的控制需求尤为重要。当采用传统的爆破技术对巷道顶板与采空区顶板进行切割时，炸药的冲击波与应力波将会均匀的向四周扩展（图1（a）），此种方式既容易损伤巷道上方顶板的完整性，同时又难以对切顶效果进行有效控制，能量利用率较低。为改变此种爆破方式的缺陷，提出了新型的聚能预裂爆破技术，如图1（b）所示，此种方式控制了冲击波与应力波的传导方向，充分利用了岩石抗拉强度较低的力学特性对顶板进行切落。在使用过程中，通过在预裂切缝钻孔内安放聚能爆破装置，炸药爆破后的冲击波与应力波向巷道顶板与采空区顶板的交接点方向传播，由聚能技术产生的聚能流将形成气楔对顶板进行定向切落，限制了冲击波与应力波的传导方向，所以使巷道顶板的切落更加完整。

炸药爆破后产生的冲击波强度大于岩体的抗压强度时，将会压碎钻孔壁，冲击波继续向岩石内部传递，随着传播距离的逐渐增加，强度也逐渐降低，由于岩石的抗拉强度最低，因此，其裂缝主要为张拉型破坏。传统的非聚能爆破方式下，裂纹扩展方向主要沿最大环向应力方向扩展，当最大环向应力大于岩石的动力学抗拉强度，将会产生裂隙，其中裂纹扩展方向与断裂强度因子有直接关系，环向应力σθ满足下式：

式中，σθ为环向应力，MPa；θ为极坐标角度，（°）。

根据断裂力学起裂角度理论与环向应力的关系式，可得出裂纹扩展的方位角满足式（2）：

式中，KⅠ为裂纹尖端Ⅰ型断裂强度因子，MPa·m1/2；KⅡ为裂纹尖端Ⅱ型断裂强度因子，MPa·m1/2。

当θ≠0 时，裂纹扩展形成裂隙分支，从而破坏巷道顶板并进行切落，因此，需满足式（3）：

聚能爆破形式下的聚能流理想扩展方式即沿着导向裂隙方向继续扩展，因此，考虑到岩石环向拉应力峰值为

式中，（σθ）m为环向拉应力峰值，MPa；P为应力波峰值，MPa；α为衰减系数；rˉ为岩体质点距离爆破孔中心距离与孔半径比值；b为爆破系数。

根据环向拉应力峰值等于岩体动力学抗拉强度，可得式（5）：

式中，τt为岩体动力学抗拉强度，MPa；r0为爆破孔半径，m。

上述负荷阶跃变化工况下的仿真结果说明核动力装置主要参数瞬态及稳态指标满足该工况下的验收准则，控制系统达到了预期的设计效果.

考虑到预裂爆破起爆之前，岩体自身的不完整性以及钻孔导致的损伤，在式（5）中引入损伤因子，得到传统爆破方式下的裂隙发育范围，如式（6）所示：

式中，D0为初始损伤因子。

在聚能爆破模型下，考虑到冲击波与应力波的定向控制技术，聚能方向上的能量聚集程度较高，因此，引入聚能爆破参数ξ，最终得到此种方式下裂纹扩展公式，如式（7）所示：

在实际工程与数值模拟中，根据此公式可以计算聚能爆破的切缝宽度，在进行聚能爆破切顶技术时，通常在超前工作面进行，使相邻爆破钻孔的定向爆破裂缝得到贯通，使顶板形成完整连续的切面，则顶板爆破钻孔的间隔距离应满足d≤2r。根据郭屯煤矿4306 工作面的地质条件，预设切顶高度的理论值为9 m，岩石抗拉强度为1.4 MPa，初始损伤因子为0.2，根据相关文献［4-5］带入相关参数，可估算聚能爆破顶板裂纹扩展宽度约为309 mm，数值模拟中设计孔间距为600 mm。

2 预裂爆破切顶技术数值模拟

2.1 建立数值模型

顶板进行预裂爆破切顶技术的关键在于控制切缝高度与切缝角度，通过UDEC离散元数值计算软件对顶板切缝高度与切缝角度对巷道围岩的变形与应力状态进行分析。假设爆破钻孔在沿巷道轴向的作用方式相同，定向爆破裂缝得到贯通，以郭屯煤矿4306 无煤柱自成巷工作面为案例，建立数值模型如图2所示。

模型的长度为250 m，高度为80 m，模型的左边界为固定约束边界，右边界为固定约束边界，顶部边界施加2 MPa沿垂直方向向下的作用力边界，模拟浅埋地表条件下的覆岩作用力。模型的岩石力学性质如表1 所示。模拟过程中首先进行地应力平衡与巷道开挖的平衡，其次对顶板进行预裂切缝，最后对工作面进行开挖，探究巷道的围岩变形情况。

2.2 预裂爆破切缝高度分析

在模拟预裂爆破切缝高度对顶板垮落形态的影响时，保持其他参数不变，切缝的角度垂直于巷道顶板，根据岩石的碎胀性确定模拟的切缝高度为7、9、11 m。预裂切缝高度参数对顶板垮落形态的影响如图3所示。根据巷道与顶板的结构关系可知，预裂切缝切落的顶板改变了基本顶的结构，切落的顶板变成垮落的矸石堆落在采空区支撑上方基本顶，而上方基本顶则以掩护形式保护巷道顶板的相对稳定状态，不同的切缝高度决定了切落的顶板对基本顶的支撑作用，顶板的切落高度与矸石堆的支撑高度不同将会改变顶板的变形以及稳定性状态。

根据图3（a）所示，当切顶高度为7 m 时，由于切落顶板的高度较小，碎胀系数并不能满足矸石对顶板的有效支撑力，顶板与矸石之间有明显的间隔空间，顶板的最大变形量为339 mm。此种方式下，由于顶板未完全压实在垮落的矸石堆上，随着工作面推进引起侧向支撑压力增加将会导致上方顶板二次失稳，导致围岩的支承压力增加。外加采空区裂隙较多，巷道漏风现象较为严重，不利于巷道的日常维护。

根据图3（b）所示，当切顶高度为9 m 时，高度为9 m 的顶板垮落在采空区，由于切顶高度的增加，可见图中顶板的下沉量得到了有效的控制，相较于7 m切顶高度时的位移量，由339 mm降低至145 mm。

根据图3（c）所示，当切顶高度为11 m 时，高度为11 m 的顶板将采空区进一步充填，但由于切顶高度的增加，导致了基本顶的下坠更加严重，砌体梁铰接点的稳定性遭到爆破冲击，致使巷道顶板的垂直位移相较于9 m 切顶高度时有略微增加，最终变形为165 mm。

综上分析，切顶高度的合理选取受到2个方面的限制，其一是切落的顶板的岩石，利用其碎胀性能否有效填充采空区，为巷道未切落的基本顶提供有效的支撑力；其二是切落的顶板，是否会破坏基本顶砌体梁铰接结构的完整性。在一定程度内，增加切顶高度可以对顶板起到更好的支撑作用，减少间隔离层空间，当切顶高度过大时将会影响顶板结构的稳定性。因此顶板的切顶高度与充填度和基本顶稳定性的相关研究还需进一步加深。

2.3 预裂爆破切缝角度分析

在模拟预裂爆破切缝角度对顶板垮落形态的影响时，保持其他参数不变，根据岩石的碎胀性确定模拟的切缝角度为0°、10°、20°。预裂切缝高度参数对顶板垮落形态的影响如图4 所示。根据砌体梁回转失稳结构理论，当顶板切落垮塌的时候，顶板旋转下沉将产生变形，因此，不同的切缝角度将会影响顶板的垮落形态，通过控制顶板的旋转角度降低对巷道围岩的影响。

根据图4（a）所示，当预裂爆破切缝角度垂直于巷道顶板，即预裂切缝角度为0°时，顶板垮落对基本顶有明显的下坠力作用，增加了巷道变形，同时根据图中可知，垮落的顶板仅对巷道顶板有部分支撑作用，而对采空区上方基本顶无支撑作用，不利于巷道覆岩结构的稳定性，因此，顶板的变形量也最大，为315 mm。

根据图4（b）所示，当切顶的角度改变，增加到10°以后，垮落的顶板对采空区上方基本顶的支撑力增加，同时由于存在切顶角度，降低了岩石垮落对巷道顶板的挤压与摩擦作用，使得回转下沉作用得到了有效抑制，巷道顶板的位移减小，垂直位移由315 mm降低至132 mm。

根据图4（c）所示，当切顶的角度再一次改变，增加到20°以后，顶板的垮落更加顺利，对巷道上方顶板的力学作用更小，但垮落的顶板难以封闭巷道，同时，岩石的碎胀作用难以有效的支撑顶板，不利于巷道的稳定性，下沉量也由此增加至206 mm。

综上分析，当切顶角度较小时，垮落的岩石将会对巷道上方顶板产生基于挤压和摩擦的传递力学作用，虽然对巷道的封闭作用较好，但是会导致顶板下沉量的增加。随着切顶角度的逐渐增加，顶板垮落将会更加顺利，同时有效抑制基本顶的回转下沉，但当角度过大时，岩石的碎胀性难以支撑顶板并且封闭效果明显降低。

3 切顶关键参数讨论

在数值模拟过程中对实体煤侧的垂直应力进行了监测，如图5与图6所示。根据图5所示，切顶高度决定了煤壁的支承压力效果，当切顶高度为7 m 时，应力在2.5 m处达到峰值，随着高度的逐渐增加，应力极值向煤体内部转移。当切顶高度变为9 m 时，应力在3.5 m 处达到峰值，但当切顶高度为11 m 时，则对应力极值的转移程度无明显影响。综合分析可知，随着切顶高度的增加，垂直应力的峰值向煤体深部转移，并且数值逐渐降低，验证了切顶高度对卸压效果具有明显作用。根据图6 所示，不同切顶角度下，应力峰值的并未发生明显的数值变化，3 种切顶角度对应的应力峰值为4.2 MPa、4.6 MPa、4.7 MPa，同时在空间方面也未发生明显的转移特征，因此可知，切顶角度与顶板卸压效果无明显关系。