無(wú)煤柱自成巷預(yù)裂切頂機(jī)理及其對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響

高玉兵，楊 軍，王 琦,王亞軍，何滿潮

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083; 3.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061; 4.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的無(wú)煤柱采煤技術(shù)，該技術(shù)充分利用頂板巖體的碎脹特性，進(jìn)一步取消了沿空留巷中的充填體[1-3]，通過(guò)預(yù)裂切頂?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)自動(dòng)成巷[4-5]，預(yù)裂切頂?shù)耐瑫r(shí)，減弱了采空區(qū)頂板與巷道頂板間的結(jié)構(gòu)傳遞，巷道應(yīng)力環(huán)境得到一定改善。目前，切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷技術(shù)已于薄煤層[6-7]、中厚煤層[8]、厚煤層[9-10]、堅(jiān)硬頂板[11]、復(fù)合夾煤頂板[12]、高瓦斯[13]、大埋深[14]等不同地質(zhì)和采礦條件下進(jìn)行了試驗(yàn)和推廣，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

無(wú)煤柱自成巷技術(shù)的核心是頂板預(yù)裂切縫，預(yù)裂效果的好壞直接關(guān)系到巷旁矸石的垮落狀態(tài)及卸壓效果，因此對(duì)頂板預(yù)裂技術(shù)的研究至關(guān)重要[15-16]。與無(wú)煤柱自成巷頂板預(yù)裂技術(shù)相似的是深孔爆破及水壓致裂技術(shù)，這2項(xiàng)技術(shù)同樣可起到卸壓和控制地質(zhì)災(zāi)害的目的。WANG等[17]對(duì)深孔預(yù)裂爆破的機(jī)理開展了研究，將該技術(shù)應(yīng)用至神東礦區(qū)淺埋煤層工作面頂板垮落控制，以避免或減少大范圍頂板來(lái)壓。高魁等[18]針對(duì)深井堅(jiān)硬頂板沿空留巷充填體應(yīng)力高、易壓壞的特點(diǎn)，提出在充填體旁進(jìn)行深孔爆破強(qiáng)制放頂?shù)募夹g(shù)。張勝利等[19]提出在綜放工作面初采時(shí)采用深孔斷裂爆破技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)制放頂，以解決初采期上隅角瓦斯超限及壓力大的問(wèn)題。張學(xué)亮[20]、劉黎[21]等對(duì)深孔爆破的技術(shù)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究。HE等[22]提出采用深孔定向水壓致裂技術(shù)進(jìn)行厚硬頂板的巖爆控制?？导t普等[23-24]系統(tǒng)總結(jié)了煤礦井下水力壓裂技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、設(shè)備工藝、檢測(cè)方法等，重點(diǎn)介紹了該技術(shù)在回采工作面堅(jiān)硬頂板弱化、受多次采動(dòng)影響的高應(yīng)力巷道卸壓等圍巖控制方面的應(yīng)用情況。于斌等[25]針對(duì)特厚煤層高強(qiáng)度綜放開采臨空順槽礦壓顯現(xiàn)劇烈的問(wèn)題，提出采用水力壓裂弱化煤層上覆堅(jiān)硬基本頂?shù)目刂品椒?，取得了良好的效果?/p>

總結(jié)相關(guān)研究成果可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)技術(shù)手段改變工作面或巷道圍巖結(jié)構(gòu)固有連接狀態(tài)，是一種控制礦壓或減少地質(zhì)災(zāi)害的有效手段。以往的研究多是集中在深孔爆破或水力致裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例，而對(duì)切頂或致裂參數(shù)變化對(duì)圍巖運(yùn)動(dòng)或礦壓規(guī)律的影響研究較少。無(wú)煤柱自成巷頂板預(yù)裂技術(shù)與常規(guī)卸壓技術(shù)不同的是，該技術(shù)實(shí)施位置為巷道頂板與采空區(qū)頂板的交界處，預(yù)裂爆破在促進(jìn)采空區(qū)頂板垮落的同時(shí)要減少對(duì)巷道頂板的擾動(dòng)，因此爆破控制更為精準(zhǔn)和嚴(yán)格。然而，目前關(guān)于該技術(shù)的作用效果研究很少。筆者以檸條塔煤礦無(wú)煤柱自成巷試驗(yàn)工程為背景，綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段，對(duì)預(yù)裂成縫的機(jī)理及預(yù)裂切頂對(duì)巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，研究成果對(duì)于完善無(wú)煤柱自成巷理論和技術(shù)體系有一定意義。

1 工程背景

檸條塔煤礦綜采工作面間隔離煤柱寬度為20 m左右，為進(jìn)一步提高煤炭采出率，減少采掘比，于S1201工作面開展切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷工程試驗(yàn)。S1201工作面所采煤層為延安組第4段頂部的2-2煤，煤層平均厚度4.1 m，傾角0～2°。試驗(yàn)工作面工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，煤層頂?shù)装鍘r性描述見表1。

S1201工作面走向長(zhǎng)3 010.3 m，傾斜長(zhǎng)295 m，試驗(yàn)段長(zhǎng)度800 m。S1201工作面相鄰工作面為S1203和S1201-I工作面，S1203工作面已經(jīng)采空，S1201-I工作面為接續(xù)工作面，如圖1所示。由于開始試驗(yàn)時(shí)，S1201和S1201-I工作面間的兩條巷道已經(jīng)掘好，因此留巷成功后可將兩個(gè)工作面之間的煤柱一并采出。

表1 S1201工作面頂?shù)装鍘r性描述

Table 1 Roof and floor lithologies of the S1201 mining face

頂?shù)装迕Q巖石名稱厚度/m特征描述基本頂石英砂巖5.41～20.63淺白色,柱狀結(jié)構(gòu)直接頂粉砂巖2.82～5.04灰色薄層狀,具水平層理2-2煤煤層3.85～4.11半亮型煤為主,賦存穩(wěn)定直接底砂質(zhì)泥巖0～1.30薄層狀,具塊狀層理基本底細(xì)粒砂巖12.50～13.61灰色,具塊狀、水平層理

圖1 無(wú)煤柱自成巷試驗(yàn)工作面平面布置

2 無(wú)煤柱自成巷預(yù)裂切頂機(jī)理

2.1 聚能張拉成縫原理

切頂卸壓無(wú)煤柱自成巷技術(shù)較常規(guī)無(wú)煤柱開采技術(shù)最顯著的區(qū)別是采用了頂板預(yù)裂技術(shù)進(jìn)行巷道穩(wěn)定性維護(hù)，因此頂板預(yù)裂切縫是無(wú)煤柱自成巷技術(shù)成功實(shí)施的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。預(yù)裂切縫的實(shí)施位置位于巷道頂板邊界處，因此在預(yù)裂過(guò)程中不僅要保證頂板“切得開”，且不能破壞巷道頂板的完整性。普通爆破模式下，爆生產(chǎn)物和爆轟能量向四周擴(kuò)散，壓力作用較為均勻，且很大一部分能量耗散在破碎巖體上，同樣的裝藥量往往出現(xiàn)破碎區(qū)范圍廣但深度淺的現(xiàn)象。如圖2(a)所示，普通爆破模式下，爆生裂縫向四周擴(kuò)展，部分裂縫不可避免地會(huì)延伸至巷道頂板，不僅會(huì)破壞其完整性，且會(huì)影響巷道原有的支護(hù)。

圖2 2種爆破模式下頂板巖體裂隙發(fā)育趨勢(shì)

利用巖石的耐壓怕拉特性，提出了適用于無(wú)煤柱自成巷的雙向聚能張拉成型技術(shù)[26]。該技術(shù)運(yùn)用爆破手段，在爆破孔內(nèi)安放聚能爆破裝置。炸藥起爆后，爆破能量按照人為設(shè)定的方向流通，在巷道頂板與采空區(qū)頂板交界面方向產(chǎn)生聚能流，并形成強(qiáng)力氣楔，集中作用在設(shè)定方向上，裂隙內(nèi)的張拉力大于頂板巖體抗壓強(qiáng)度時(shí)，裂隙產(chǎn)生并形成切縫線，如圖2(b)所示。該技術(shù)實(shí)施后，由于能量的有效積聚，設(shè)定方向的裂縫擴(kuò)展更加明顯，且不會(huì)破壞巷道頂板的完整性。

2.2 頂板預(yù)裂成縫力學(xué)分析

炸藥爆破后，首先產(chǎn)生爆轟沖擊波，當(dāng)波的強(qiáng)度達(dá)到頂板巖體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生孔壁壓碎現(xiàn)象。沖擊波在穿過(guò)巖石介質(zhì)及損傷空隙過(guò)程中強(qiáng)度逐漸減弱，逐漸演變?yōu)閼?yīng)力波。由于巖體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，因此裂縫的擴(kuò)展主要為應(yīng)力波張拉作用形成。普通爆破模式下，裂隙擴(kuò)展方向較為隨機(jī)，裂縫主要沿最大環(huán)向應(yīng)力方向開裂，當(dāng)環(huán)形應(yīng)力增大至巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，損傷裂隙開始擴(kuò)展。非聚能爆破模式下，裂紋擴(kuò)展方向與斷裂強(qiáng)度因子有關(guān)[27]，環(huán)向應(yīng)力σθ需滿足:

(1)

根據(jù)式(1)可得出裂隙擴(kuò)展方位角θ0滿足:

(2)

式中，KⅠ為裂紋尖端I型斷裂強(qiáng)度因子;KⅡ?yàn)榱鸭y尖端II型斷裂強(qiáng)度因子。

分析式(2)，倘若cos(θ0/2)=0，可得θ0=±π，沒(méi)有實(shí)際意義，因此只能有

KⅠsinθ0+KⅡ(3cosθ0-1)=0

(3)

此時(shí)，θ0≠0，說(shuō)明裂隙擴(kuò)展方向在非聚能及聚能模式下形成裂隙分支，從而會(huì)破壞巷道頂板的完整性。在聚能爆破模式下，爆破起始階段聚能裝置形成聚能流，聚能流的侵徹作用形成初始導(dǎo)向裂隙，應(yīng)力波在導(dǎo)向裂隙的引導(dǎo)作用下繼續(xù)擴(kuò)展原有裂隙，因此聚能效果理想的情況下裂隙擴(kuò)展方向即為聚能控制方向。

應(yīng)力波作用下，巖體單元環(huán)向方向拉應(yīng)力峰值[28]可表示為

(4)

另(σθ)m=τt，由此可得

r=(bP/τt)1/αr0

(5)

式中，τt為頂板巖體動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度;r0為空爆破孔半徑。

由于爆破起始階段已對(duì)巖體造成一部分損傷，同時(shí)考慮到巖體本身的缺陷，引入損傷因子D0，得到非聚能模式下裂隙發(fā)育范圍:

(6)

在聚能方向上，由于沖擊波的侵徹作用，聚能方向作用能量增多，裂隙擴(kuò)展范圍增大。引入聚能系數(shù)ξ，可得聚能作用下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度:

(7)

無(wú)煤柱自成巷技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中，預(yù)裂切縫超前工作面進(jìn)行，爆破孔間距的設(shè)計(jì)應(yīng)使相鄰孔裂隙發(fā)育區(qū)貫通，形成完整的切縫面。設(shè)聚能爆破孔間距為d，則頂板充分切開的條件可表示為

d≤2r

(8)

預(yù)裂切縫的作用區(qū)域?yàn)轫敯鍘r層，不同地質(zhì)條件下的頂板巖性不同，裝藥量及孔間距需對(duì)應(yīng)調(diào)整。根據(jù)檸條塔煤礦S1201工作面采高和頂板巖體的碎脹系數(shù)，可得預(yù)裂切頂高度理論值為9 m。除去孔底的封泥高度，該工作面預(yù)裂切縫作用范圍內(nèi)的頂板巖層主要為石英砂巖，其抗拉強(qiáng)度約為1.4 MPa。根據(jù)相似礦區(qū)的裝藥經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)單孔采用的裝藥量為3 200 g(“4卷+4卷+3卷+3卷+2卷”裝藥結(jié)構(gòu))，連孔爆破方式，初始損傷因子取0.2，根據(jù)式(7)及相關(guān)文獻(xiàn)[5,27]，代入相關(guān)參數(shù)可估算出聚能爆破作用下頂板裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度約為309 mm，因此根據(jù)式(8)可得孔間距理論設(shè)計(jì)值應(yīng)不大于618 mm。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件，孔間距最終取為600 mm。

3 預(yù)裂切頂數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

頂板預(yù)裂完成后，工作面回采并留巷。實(shí)踐證明，切縫高度和角度是影響成巷變形及應(yīng)力分布最重要的兩個(gè)參量。本文假設(shè)相鄰孔已經(jīng)貫通，采用離散元數(shù)值模擬方法，探究切縫高度和角度對(duì)巷道圍巖變形及應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件，建立UDEC數(shù)值計(jì)算模型，如圖3所示。模型長(zhǎng)250 m，高80 m，左右邊界和底邊界施加固定約束，頂邊界為自由邊界，施加2 MPa的豎向荷載，用以模擬80 m厚的上覆巖層。模型中，煤層頂板由下向上依次為粉砂巖、石英砂巖、中粒砂巖和泥巖，底板由砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖組成，頂?shù)装鍘r性力學(xué)參數(shù)見表2。模擬過(guò)程中首先進(jìn)行巷道開挖并補(bǔ)打錨索支護(hù)，待巷道穩(wěn)定后進(jìn)行預(yù)裂切縫，最后進(jìn)行工作面開挖，重點(diǎn)探究切頂巷道附近圍巖礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

表2 頂、底板巖性物理力學(xué)參數(shù)

3.2 切頂高度對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響

切頂高度模擬過(guò)程中保持其他參數(shù)不變，頂板支護(hù)形式相同，預(yù)裂切縫方向垂直于巷道頂板?？紤]到頂板巖體的碎脹性，模擬過(guò)程中，切頂高度分別取7，9 和11 m。不同切頂高度條件下圍巖結(jié)構(gòu)形態(tài)及豎向位移場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 不同切頂高度圍巖結(jié)構(gòu)形態(tài)及變形特征

整體分析不同切頂高度下巷道圍巖垮落形態(tài)可知，預(yù)裂切縫可切斷巷道頂板和采空區(qū)頂板間的結(jié)構(gòu)傳遞，采空區(qū)直接頂巖體垮落，基本頂則為一個(gè)傳遞整體，巷道頂板其掩護(hù)作用下保持基本穩(wěn)定。不同切頂高度下，采空區(qū)頂板巖體垮落形態(tài)及其對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)的承載支撐作用不同，造成巷道頂板變形及穩(wěn)定性不同。

當(dāng)切頂高度為7 m時(shí)，煤層回采后采空區(qū)頂板在7 m高度處沿切縫發(fā)生破斷切落，但切落過(guò)程中對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)施加有一個(gè)下墜作用力，垮落巖層與基本頂巖層間未充空間較大，頂板最大變形為339 mm。當(dāng)切頂高度增加至9 m時(shí)，采空區(qū)頂板在9 m高度處沿切縫發(fā)生破斷切落，使得巷道頂板變形量及向采空區(qū)側(cè)回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)得到有效控制。由于頂板切落巖石范圍擴(kuò)大，垮落巖石碎脹后充填采空區(qū)程度增加，巷道頂板垂直位移最大值較7 m時(shí)有所減小，最終變形為145 mm。當(dāng)切頂高度繼續(xù)增大至11 m時(shí)，基本頂巖層與垮落巖層間的未充空間再次減小，但增加的切頂高度造成施加在切頂短臂結(jié)構(gòu)上的下墜作用更明顯，破壞了頂板形成的鉸接巖梁結(jié)構(gòu)。巷道頂板最終變形較切頂9 m時(shí)甚至有所增大，最終變形為165 mm?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)，切頂高度影響的是采空區(qū)矸石的碎脹性及其對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)的作用力。合理的切頂高度應(yīng)保證巷旁充滿，并促使矸石起到有效的承載作用。在一定范圍內(nèi)，增大切頂高度可增大碎脹體積，減少未充空間，但切頂高度增加到一定程度后繼續(xù)增加可能對(duì)頂板穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，同時(shí)施工費(fèi)用和施工難度增加。

圖5為不用切頂高度條件下實(shí)體煤幫上的豎直應(yīng)力分布曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，切頂高度對(duì)卸壓效果有一定影響。切頂高度為7 m時(shí)，實(shí)體煤幫內(nèi)的應(yīng)力峰值距巷幫約2.5 m，隨著切頂高度增大，應(yīng)力峰值向深部轉(zhuǎn)移。切頂高度為9 m時(shí)，實(shí)體煤幫內(nèi)部應(yīng)力峰值集中區(qū)距巷幫4～5 m，但當(dāng)切頂高度增加至11 m時(shí)，繼續(xù)增加切頂高度對(duì)應(yīng)力集中區(qū)范圍影響不明顯。從應(yīng)力強(qiáng)度分析可知，當(dāng)切頂高度為7,9,11 m時(shí)，實(shí)體煤幫上應(yīng)力集中峰值分別為4.8,4.3,4.1 MPa，切頂高度越大，應(yīng)力集中峰值越小，側(cè)面驗(yàn)證了切頂?shù)男秹鹤饔谩?/p>

圖5 不同切頂高度實(shí)體煤幫應(yīng)力分布

3.3 切頂角度對(duì)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的影響

頂板進(jìn)行預(yù)裂后，采空區(qū)上方巖體在上覆巖層自重作用下產(chǎn)生下沉，下沉過(guò)程中會(huì)與巷道頂板發(fā)生不同程度的作用，從而導(dǎo)致頂板變形。為了解決該問(wèn)題，提出切縫向采空區(qū)側(cè)偏轉(zhuǎn)一定角度，以利于頂板垮落并減小其對(duì)巷道頂板的影響。本研究中，分別模擬預(yù)裂切縫線向采空區(qū)方向偏轉(zhuǎn)0°，10°，20°，觀察巷道圍巖結(jié)構(gòu)及位移場(chǎng)分布特征，如圖6所示。

圖6 不同切頂角度圍巖結(jié)構(gòu)形態(tài)及變形特征

當(dāng)預(yù)裂切縫垂直于巷道頂板時(shí)，采空區(qū)頂板垮落對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)作用一個(gè)明顯的下墜力，從而增大了巷道變形。此外，當(dāng)頂板巖層垮落穩(wěn)定后，垮落的矸石只是對(duì)基本頂巖層起到垂直支撐作用，對(duì)巷道頂板切頂短臂結(jié)構(gòu)無(wú)明顯斜撐作用，一定程度上降低了巷道穩(wěn)定性。切頂角度為0°時(shí)，頂板最大變形為315 mm。增大切頂角度為10°后，采空區(qū)垮落矸石與巷道頂板間的應(yīng)力傳遞減小，減弱了采空區(qū)垮落矸石與巷道頂板巖層間的摩擦力，使得巷道頂板變形量及向采空區(qū)側(cè)回轉(zhuǎn)下沉運(yùn)動(dòng)得到有效控制，由于切縫向采空區(qū)偏轉(zhuǎn)，采空區(qū)頂板觸矸點(diǎn)與巷道頂板距離減小，垂直位移最大值為132 mm，較垂直切縫減小58%。當(dāng)繼續(xù)增大到20°時(shí)，采空區(qū)頂板垮落更為充分，但若采空區(qū)頂板巖體碎脹不充分，切頂短臂結(jié)構(gòu)與矸石間的空隙增大，反而不利于巷道穩(wěn)定，最大下沉量達(dá)到206 mm。因此，當(dāng)切縫角度超過(guò)一定值后，繼續(xù)增大切縫角度，巷道圍巖變形可能越來(lái)越大。

模擬過(guò)程中對(duì)不同切頂角度下實(shí)體煤幫上的垂直應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖7所示。不同切頂角度下應(yīng)力峰值差別很小。雖然增大切頂角度有利于采空區(qū)矸石垮落，但增大切頂角度后，作用在下一工作面實(shí)體煤上的應(yīng)力有輕微增大的現(xiàn)象。當(dāng)切頂角度為0°，10°和20°時(shí)，實(shí)體煤上的垂直應(yīng)力最大值分別為4.2，4.6和4.7 MPa。不同切頂角度條件下，巷道頂板切頂短臂結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和重量不同，切縫角度越大，該結(jié)構(gòu)的重量越大，相同支護(hù)條件下會(huì)一定程度傳遞至實(shí)體煤幫，因此在實(shí)際切縫參數(shù)確定過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)頂板條件進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

圖7 不同切頂角度實(shí)體煤幫應(yīng)力分布

4 預(yù)裂切頂現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

(1)切頂高度方案

除了起到卸壓作用，預(yù)裂切縫的另一作用是保證采空區(qū)頂板巖層順利垮落并充滿采空區(qū)，根據(jù)巖體碎脹理論，考慮到頂板下沉量和底臌量，理論切頂高度[16]可表示為

(9)

式中，HF為聚能切縫深度，m;M為采高，m;ΔH1為頂板下沉量，m;ΔH2為底臌量，m;K為頂板巖體碎脹系數(shù)。

檸條塔礦S1201工作面頂板巖體實(shí)測(cè)碎脹系數(shù)為1.38，考慮到頂板實(shí)際下沉量和底臌量，理論切縫高度約為9.21 m。為了探究切頂高度對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了3種切頂方案，切頂深度7,9,11 m各試驗(yàn)了50 m。預(yù)裂切頂采用連孔爆破方式，爆破孔直徑50 mm。爆破孔內(nèi)安裝聚能管，聚能管外徑42 mm，內(nèi)徑36.5 mm，管長(zhǎng)1 500 mm。聚能管內(nèi)安裝2級(jí)礦用乳化炸藥，炸藥規(guī)格φ35×200 mm/卷，每卷炸藥200 g。為了盡量統(tǒng)一各方案的切縫效果，孔口附近裝藥結(jié)構(gòu)保持不變，變化主要集中在孔底石英砂巖部位。方案1切頂高度為7 m，每孔安裝4根聚能管，裝藥結(jié)構(gòu)為“4卷+3卷+3卷+2卷”，封泥長(zhǎng)度1.5 m;方案2切頂高度為9 m，每孔安裝5根聚能管，裝藥結(jié)構(gòu)為“4卷+4卷+3卷+3卷+2卷”，封泥長(zhǎng)度1.5 m;方案3切頂高度為11 m，每孔安裝6根聚能管，裝藥結(jié)構(gòu)為“4卷+4卷+4卷+3卷+3卷+2卷”，封泥長(zhǎng)度1.5 m，3種方案具體裝藥結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂切頂高度試驗(yàn)方案

(2)切頂角度方案

《無(wú)煤柱自成巷110工法規(guī)范》中規(guī)定，頂板定向預(yù)裂切縫鉆孔角度應(yīng)考慮工作面采高，當(dāng)采高小于1 m時(shí)，角度一般為15°～20°，當(dāng)采高大于1 m時(shí)，角度一般小于15°。為了探究切頂角度對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了3種切頂角度試驗(yàn)方案，3種方案中切頂高度9 m保持不變，切頂角度0°,10°和20°各試驗(yàn)了50 m。3種方案中的裝藥結(jié)構(gòu)相同，均為“4卷+4卷+3卷+3卷+2卷”，具體方案示意如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂切頂角度試驗(yàn)方案

(3)監(jiān)測(cè)方案

試驗(yàn)巷道S1201膠運(yùn)巷斷面為矩形，寬為6 000 mm，高為3 750 mm，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。每種方案試驗(yàn)段均勻布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，即每10 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量過(guò)程中采用十字測(cè)點(diǎn)法，為提高測(cè)量精度，測(cè)點(diǎn)處頂板和兩幫均采用噴漆標(biāo)記，運(yùn)用塔尺、游標(biāo)卡尺及頂?shù)装逡平鼉x等精確測(cè)量。每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置監(jiān)測(cè)3處位置，即巷中位置、切縫側(cè)位置(距碎石幫200 mm)、實(shí)體煤幫位置(距實(shí)體煤幫200 mm)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1預(yù)裂切頂高度對(duì)圍巖變形的影響

按照試驗(yàn)方案進(jìn)行預(yù)裂切頂后，工作面回采留巷。留巷過(guò)程中對(duì)3個(gè)試驗(yàn)段中的典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全過(guò)程變形監(jiān)測(cè)，選取試驗(yàn)段中部測(cè)點(diǎn)的巷中位置進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)曲線如圖10所示。

圖10 不同切頂高度典型測(cè)點(diǎn)全過(guò)程變形監(jiān)測(cè)曲線

不同切頂高度條件下，留巷圍巖變形均經(jīng)歷緩慢增長(zhǎng)、快速增長(zhǎng)和平衡穩(wěn)定階段，但最終變形量和趨于穩(wěn)定的距離不同。切頂高度為7 m時(shí)，頂?shù)装逡平冃瘟孔畲?，滯后工作面約210 m達(dá)到穩(wěn)定。切頂高度增加至9 m后，快速增長(zhǎng)段變形加快，但變形量減小，較7 m切頂時(shí)減小了約27%，滯后工作面約150 m巷道變形趨于穩(wěn)定。繼續(xù)增大切頂高度至11 m后，巷道最終變形變化不大，仍為150 mm左右，但滯后工作面趨于穩(wěn)定的距離有所減小。

為整體分析巷道變形情況，對(duì)穩(wěn)定后的試驗(yàn)段等距離(每10 m)取點(diǎn)監(jiān)測(cè)，記錄切縫側(cè)、巷中和實(shí)體煤幫側(cè)的頂?shù)装遄罱K移近變形量，如圖11所示。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切頂高度為7 m 時(shí)，切縫側(cè)最大巷道移近量達(dá)到493 mm，切縫側(cè)巷道平均變形為356 mm，遠(yuǎn)大于切頂高度為9 m時(shí)的結(jié)果。繼續(xù)增大至11 m時(shí)，巷道變形再次有輕微的減少，但變化幅度不大。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)不同切頂高度頂?shù)装逡平拷y(tǒng)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形規(guī)律實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬相似。在一定切頂范圍內(nèi)，增大切頂高度有利于減少巷道變形。當(dāng)切頂高度較大時(shí)，矸石垮落碎脹空間增大，從而對(duì)頂板巖層起到一定的支撐作用。此外，沒(méi)必要盲目增大切頂高度，過(guò)大的切頂高度效益不顯著，切頂高度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮頂板巖體的巖性、碎脹特性及上覆頂板的垮落和穩(wěn)定過(guò)程。

4.2.2預(yù)裂切頂角度對(duì)圍巖變形的影響

對(duì)不同切頂角度試驗(yàn)段巷中測(cè)點(diǎn)全過(guò)程變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示。當(dāng)切縫孔垂直于巷道頂板時(shí)，頂?shù)装逡平冃巫畲?。切縫線向采空區(qū)方向偏斜10°后，變形減小了約一半，繼續(xù)增大切頂角度至20°后，巷道圍巖變形開始增大。由此可見，無(wú)煤柱自成巷中切縫角度不應(yīng)過(guò)小亦不宜過(guò)大，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板巖性、采高等情況綜合確定。

圖12 不同切頂角度典型測(cè)點(diǎn)全過(guò)程變形監(jiān)測(cè)曲線

圖13為不同切頂角度條件下頂板整體變形統(tǒng)計(jì)。當(dāng)切頂方向垂直于巷道頂板時(shí)，此時(shí)巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲?，試?yàn)段切縫側(cè)測(cè)點(diǎn)的平均變形量為378 mm，巷中測(cè)點(diǎn)頂?shù)装迤骄平繛?90 mm。當(dāng)切縫偏向采空區(qū)10°時(shí)，切縫側(cè)測(cè)點(diǎn)平均變形較垂直切縫時(shí)減少了約25%，巷中減少了約39%。但是，當(dāng)繼續(xù)增大至20°時(shí)，巷道頂?shù)装遄冃屋^方案2差別不大，甚至有所增大。

由此可見，預(yù)裂切縫偏向采空區(qū)一定角度后，有利于減弱矸石垮落時(shí)對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)的下墜作用，從而減少變形，但過(guò)大的切頂角度反而不利于巷道穩(wěn)定。

4.2.3最終預(yù)裂切頂效果

根據(jù)研究結(jié)果，最終確定S1201工作面切縫高度為9.0 m，切縫角度為10°，爆破孔間距為600 mm，單孔采用“4卷+4卷+3卷+3卷+2卷”(3 200 g)裝藥結(jié)構(gòu)，封泥長(zhǎng)度1.5 m的裝藥和切縫參數(shù)。預(yù)裂爆破后，對(duì)孔外及孔內(nèi)裂縫擴(kuò)展情況進(jìn)行探測(cè)，孔外采用高清攝像機(jī)拍攝，孔內(nèi)采用ZKXG30鉆孔成像儀窺視，預(yù)裂效果、垮落效果及最終成巷效果如圖14所示。通過(guò)圖14(a)和(e)可知，無(wú)論是孔外還是孔內(nèi)，裂縫均沿預(yù)設(shè)方向擴(kuò)展，驗(yàn)證了聚能張拉爆破技術(shù)的可靠性。由圖14(b),(c),(d)可知，采空區(qū)頂板巖體沿切縫線垮落，形成穩(wěn)定碎石幫，最終成巷效果良好，驗(yàn)證了切頂參數(shù)的合理性。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)不同切頂角度頂?shù)装逡平拷y(tǒng)計(jì)

圖14 現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裂切頂試驗(yàn)效果

5 結(jié) 論

(1)無(wú)煤柱自成巷頂板預(yù)裂切縫的有效控制是保證巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵。非聚能爆破模式下，裂隙擴(kuò)展方位角可變，破壞巷道頂板的完整性。聚能張拉爆破模式下，可實(shí)現(xiàn)裂縫單方向擴(kuò)展。為達(dá)到理想的切頂效果，裝藥量及孔間距應(yīng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，孔間距應(yīng)小于孔間裂隙擴(kuò)展長(zhǎng)度。

(2)對(duì)檸條塔煤礦無(wú)煤柱自成巷預(yù)裂切頂進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。預(yù)裂切縫可切斷巷道頂板和采空區(qū)頂板間的部分結(jié)構(gòu)和應(yīng)力傳遞，但不同切頂高度和角度條件下，巷道圍巖呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)規(guī)律。切頂高度影響的是采空區(qū)矸石的碎脹性及其對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)的作用力。在一定范圍內(nèi)，增大切頂高度可增大矸石碎脹體積，減小巷道頂板變形和作用在實(shí)體煤幫上的應(yīng)力峰值，但切頂高度不宜過(guò)大，否則會(huì)增大施工難度，且會(huì)增大留巷變形。切頂角度主要影響采空區(qū)頂板在垮落過(guò)程中對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)的下墜力及穩(wěn)定后對(duì)切頂短臂結(jié)構(gòu)的斜撐力。切頂方向不宜垂直于頂板，而應(yīng)向采空區(qū)偏斜10～20°，以減小下墜力、增大斜撐力。

(3)對(duì)檸條塔煤礦無(wú)煤柱自成巷預(yù)裂切頂進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，檸條塔煤礦S1201工作面切縫高度設(shè)計(jì)為9.0 m，切縫角度為10°，爆破孔間距為600 mm，單孔裝藥量為3 200 g，封泥長(zhǎng)度為1.5 m時(shí)，可取得較為滿意的切頂和成巷效果。