無煤柱自成巷切頂高度與切頂角度參數(shù)研究

王 甲 孫新磊 李 偉

（臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司）

無煤柱自成巷是利用切落頂板的巖石碎脹性代替巷旁充填體的采煤護(hù)巷技術(shù)［1-3］。該方法通過預(yù)裂爆破技術(shù)將頂板進(jìn)行切落，一方面改變了巷道頂板與采空區(qū)頂板的結(jié)構(gòu)傳遞方式，優(yōu)化了卸壓效果。一方面降低了巷道支護(hù)成本，使巷道圍巖更加穩(wěn)定［4-5］。

總結(jié)研究成果可知，無煤柱自成巷是一種有效的控制礦業(yè)顯現(xiàn)與維護(hù)巷道變形的工程技術(shù)，在以往的研究過程中，多注重于工程的實(shí)際應(yīng)用案例，而對切頂參數(shù)的變化對頂板變形以及與圍巖作用規(guī)律的研究較少。為探究切頂關(guān)鍵參數(shù)對切頂護(hù)巷效果的影響，以聚能預(yù)裂爆破技術(shù)作為理論出發(fā)點(diǎn)，利用數(shù)值模擬方法重點(diǎn)研究切頂高度與切頂角度影響切頂效果的力學(xué)機(jī)制。

1 聚能預(yù)裂爆破技術(shù)作用機(jī)理

無煤柱自成巷切頂技術(shù)與傳統(tǒng)的沿空留巷技術(shù)有明顯區(qū)別，相比于傳統(tǒng)的沿空留巷技術(shù)額外采用了頂板預(yù)裂爆破的強(qiáng)制放頂技術(shù)，通過設(shè)計(jì)預(yù)裂切縫、控制切縫高度與切縫角度，將頂板在一定范圍進(jìn)行切落，并使切落的頂板用以護(hù)巷處理。在實(shí)際工程中，實(shí)施預(yù)裂爆破需要保證頂板可以被有效切落，同時(shí)又不損傷巷道上方頂板的完整性，因此，對于爆破技術(shù)的控制需求尤為重要。當(dāng)采用傳統(tǒng)的爆破技術(shù)對巷道頂板與采空區(qū)頂板進(jìn)行切割時(shí)，炸藥的沖擊波與應(yīng)力波將會(huì)均勻的向四周擴(kuò)展（圖1（a）），此種方式既容易損傷巷道上方頂板的完整性，同時(shí)又難以對切頂效果進(jìn)行有效控制，能量利用率較低。為改變此種爆破方式的缺陷，提出了新型的聚能預(yù)裂爆破技術(shù)，如圖1（b）所示，此種方式控制了沖擊波與應(yīng)力波的傳導(dǎo)方向，充分利用了巖石抗拉強(qiáng)度較低的力學(xué)特性對頂板進(jìn)行切落。在使用過程中，通過在預(yù)裂切縫鉆孔內(nèi)安放聚能爆破裝置，炸藥爆破后的沖擊波與應(yīng)力波向巷道頂板與采空區(qū)頂板的交接點(diǎn)方向傳播，由聚能技術(shù)產(chǎn)生的聚能流將形成氣楔對頂板進(jìn)行定向切落，限制了沖擊波與應(yīng)力波的傳導(dǎo)方向，所以使巷道頂板的切落更加完整。

炸藥爆破后產(chǎn)生的沖擊波強(qiáng)度大于巖體的抗壓強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)壓碎鉆孔壁，沖擊波繼續(xù)向巖石內(nèi)部傳遞，隨著傳播距離的逐漸增加，強(qiáng)度也逐漸降低，由于巖石的抗拉強(qiáng)度最低，因此，其裂縫主要為張拉型破壞。傳統(tǒng)的非聚能爆破方式下，裂紋擴(kuò)展方向主要沿最大環(huán)向應(yīng)力方向擴(kuò)展，當(dāng)最大環(huán)向應(yīng)力大于巖石的動(dòng)力學(xué)抗拉強(qiáng)度，將會(huì)產(chǎn)生裂隙，其中裂紋擴(kuò)展方向與斷裂強(qiáng)度因子有直接關(guān)系，環(huán)向應(yīng)力σθ滿足下式：

式中，σθ為環(huán)向應(yīng)力，MPa；θ為極坐標(biāo)角度，（°）。

根據(jù)斷裂力學(xué)起裂角度理論與環(huán)向應(yīng)力的關(guān)系式，可得出裂紋擴(kuò)展的方位角滿足式（2）：

式中，KⅠ為裂紋尖端Ⅰ型斷裂強(qiáng)度因子，MPa·m1/2；KⅡ?yàn)榱鸭y尖端Ⅱ型斷裂強(qiáng)度因子，MPa·m1/2。

當(dāng)θ≠0 時(shí)，裂紋擴(kuò)展形成裂隙分支，從而破壞巷道頂板并進(jìn)行切落，因此，需滿足式（3）：

聚能爆破形式下的聚能流理想擴(kuò)展方式即沿著導(dǎo)向裂隙方向繼續(xù)擴(kuò)展，因此，考慮到巖石環(huán)向拉應(yīng)力峰值為

式中，（σθ）m為環(huán)向拉應(yīng)力峰值，MPa；P為應(yīng)力波峰值，MPa；α為衰減系數(shù)；rˉ為巖體質(zhì)點(diǎn)距離爆破孔中心距離與孔半徑比值；b為爆破系數(shù)。

根據(jù)環(huán)向拉應(yīng)力峰值等于巖體動(dòng)力學(xué)抗拉強(qiáng)度，可得式（5）：

式中，τt為巖體動(dòng)力學(xué)抗拉強(qiáng)度，MPa；r0為爆破孔半徑，m。

上述負(fù)荷階躍變化工況下的仿真結(jié)果說明核動(dòng)力裝置主要參數(shù)瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)指標(biāo)滿足該工況下的驗(yàn)收準(zhǔn)則，控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果.

考慮到預(yù)裂爆破起爆之前，巖體自身的不完整性以及鉆孔導(dǎo)致的損傷，在式（5）中引入損傷因子，得到傳統(tǒng)爆破方式下的裂隙發(fā)育范圍，如式（6）所示：

式中，D0為初始損傷因子。

在聚能爆破模型下，考慮到?jīng)_擊波與應(yīng)力波的定向控制技術(shù)，聚能方向上的能量聚集程度較高，因此，引入聚能爆破參數(shù)ξ，最終得到此種方式下裂紋擴(kuò)展公式，如式（7）所示：

在實(shí)際工程與數(shù)值模擬中，根據(jù)此公式可以計(jì)算聚能爆破的切縫寬度，在進(jìn)行聚能爆破切頂技術(shù)時(shí)，通常在超前工作面進(jìn)行，使相鄰爆破鉆孔的定向爆破裂縫得到貫通，使頂板形成完整連續(xù)的切面，則頂板爆破鉆孔的間隔距離應(yīng)滿足d≤2r。根據(jù)郭屯煤礦4306 工作面的地質(zhì)條件，預(yù)設(shè)切頂高度的理論值為9 m，巖石抗拉強(qiáng)度為1.4 MPa，初始損傷因子為0.2，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［4-5］帶入相關(guān)參數(shù)，可估算聚能爆破頂板裂紋擴(kuò)展寬度約為309 mm，數(shù)值模擬中設(shè)計(jì)孔間距為600 mm。

2 預(yù)裂爆破切頂技術(shù)數(shù)值模擬

2.1 建立數(shù)值模型

頂板進(jìn)行預(yù)裂爆破切頂技術(shù)的關(guān)鍵在于控制切縫高度與切縫角度，通過UDEC離散元數(shù)值計(jì)算軟件對頂板切縫高度與切縫角度對巷道圍巖的變形與應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。假設(shè)爆破鉆孔在沿巷道軸向的作用方式相同，定向爆破裂縫得到貫通，以郭屯煤礦4306 無煤柱自成巷工作面為案例，建立數(shù)值模型如圖2所示。

模型的長度為250 m，高度為80 m，模型的左邊界為固定約束邊界，右邊界為固定約束邊界，頂部邊界施加2 MPa沿垂直方向向下的作用力邊界，模擬淺埋地表?xiàng)l件下的覆巖作用力。模型的巖石力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。模擬過程中首先進(jìn)行地應(yīng)力平衡與巷道開挖的平衡，其次對頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫，最后對工作面進(jìn)行開挖，探究巷道的圍巖變形情況。

2.2 預(yù)裂爆破切縫高度分析

在模擬預(yù)裂爆破切縫高度對頂板垮落形態(tài)的影響時(shí)，保持其他參數(shù)不變，切縫的角度垂直于巷道頂板，根據(jù)巖石的碎脹性確定模擬的切縫高度為7、9、11 m。預(yù)裂切縫高度參數(shù)對頂板垮落形態(tài)的影響如圖3所示。根據(jù)巷道與頂板的結(jié)構(gòu)關(guān)系可知，預(yù)裂切縫切落的頂板改變了基本頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)，切落的頂板變成垮落的矸石堆落在采空區(qū)支撐上方基本頂，而上方基本頂則以掩護(hù)形式保護(hù)巷道頂板的相對穩(wěn)定狀態(tài)，不同的切縫高度決定了切落的頂板對基本頂?shù)闹巫饔茫敯宓那新涓叨扰c矸石堆的支撐高度不同將會(huì)改變頂板的變形以及穩(wěn)定性狀態(tài)。

根據(jù)圖3（a）所示，當(dāng)切頂高度為7 m 時(shí)，由于切落頂板的高度較小，碎脹系數(shù)并不能滿足矸石對頂板的有效支撐力，頂板與矸石之間有明顯的間隔空間，頂板的最大變形量為339 mm。此種方式下，由于頂板未完全壓實(shí)在垮落的矸石堆上，隨著工作面推進(jìn)引起側(cè)向支撐壓力增加將會(huì)導(dǎo)致上方頂板二次失穩(wěn)，導(dǎo)致圍巖的支承壓力增加。外加采空區(qū)裂隙較多，巷道漏風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，不利于巷道的日常維護(hù)。

根據(jù)圖3（b）所示，當(dāng)切頂高度為9 m 時(shí)，高度為9 m 的頂板垮落在采空區(qū)，由于切頂高度的增加，可見圖中頂板的下沉量得到了有效的控制，相較于7 m切頂高度時(shí)的位移量，由339 mm降低至145 mm。

根據(jù)圖3（c）所示，當(dāng)切頂高度為11 m 時(shí)，高度為11 m 的頂板將采空區(qū)進(jìn)一步充填，但由于切頂高度的增加，導(dǎo)致了基本頂?shù)南聣嫺訃?yán)重，砌體梁鉸接點(diǎn)的穩(wěn)定性遭到爆破沖擊，致使巷道頂板的垂直位移相較于9 m 切頂高度時(shí)有略微增加，最終變形為165 mm。

綜上分析，切頂高度的合理選取受到2個(gè)方面的限制，其一是切落的頂板的巖石，利用其碎脹性能否有效填充采空區(qū)，為巷道未切落的基本頂提供有效的支撐力；其二是切落的頂板，是否會(huì)破壞基本頂砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)的完整性。在一定程度內(nèi)，增加切頂高度可以對頂板起到更好的支撐作用，減少間隔離層空間，當(dāng)切頂高度過大時(shí)將會(huì)影響頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此頂板的切頂高度與充填度和基本頂穩(wěn)定性的相關(guān)研究還需進(jìn)一步加深。

2.3 預(yù)裂爆破切縫角度分析

在模擬預(yù)裂爆破切縫角度對頂板垮落形態(tài)的影響時(shí)，保持其他參數(shù)不變，根據(jù)巖石的碎脹性確定模擬的切縫角度為0°、10°、20°。預(yù)裂切縫高度參數(shù)對頂板垮落形態(tài)的影響如圖4 所示。根據(jù)砌體梁回轉(zhuǎn)失穩(wěn)結(jié)構(gòu)理論，當(dāng)頂板切落垮塌的時(shí)候，頂板旋轉(zhuǎn)下沉將產(chǎn)生變形，因此，不同的切縫角度將會(huì)影響頂板的垮落形態(tài)，通過控制頂板的旋轉(zhuǎn)角度降低對巷道圍巖的影響。

根據(jù)圖4（a）所示，當(dāng)預(yù)裂爆破切縫角度垂直于巷道頂板，即預(yù)裂切縫角度為0°時(shí)，頂板垮落對基本頂有明顯的下墜力作用，增加了巷道變形，同時(shí)根據(jù)圖中可知，垮落的頂板僅對巷道頂板有部分支撐作用，而對采空區(qū)上方基本頂無支撐作用，不利于巷道覆巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此，頂板的變形量也最大，為315 mm。

根據(jù)圖4（b）所示，當(dāng)切頂?shù)慕嵌雀淖?，增加?0°以后，垮落的頂板對采空區(qū)上方基本頂?shù)闹瘟υ黾樱瑫r(shí)由于存在切頂角度，降低了巖石垮落對巷道頂板的擠壓與摩擦作用，使得回轉(zhuǎn)下沉作用得到了有效抑制，巷道頂板的位移減小，垂直位移由315 mm降低至132 mm。

根據(jù)圖4（c）所示，當(dāng)切頂?shù)慕嵌仍僖淮胃淖?，增加?0°以后，頂板的垮落更加順利，對巷道上方頂板的力學(xué)作用更小，但垮落的頂板難以封閉巷道，同時(shí)，巖石的碎脹作用難以有效的支撐頂板，不利于巷道的穩(wěn)定性，下沉量也由此增加至206 mm。

綜上分析，當(dāng)切頂角度較小時(shí)，垮落的巖石將會(huì)對巷道上方頂板產(chǎn)生基于擠壓和摩擦的傳遞力學(xué)作用，雖然對巷道的封閉作用較好，但是會(huì)導(dǎo)致頂板下沉量的增加。隨著切頂角度的逐漸增加，頂板垮落將會(huì)更加順利，同時(shí)有效抑制基本頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉，但當(dāng)角度過大時(shí)，巖石的碎脹性難以支撐頂板并且封閉效果明顯降低。

3 切頂關(guān)鍵參數(shù)討論

在數(shù)值模擬過程中對實(shí)體煤側(cè)的垂直應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測，如圖5與圖6所示。根據(jù)圖5所示，切頂高度決定了煤壁的支承壓力效果，當(dāng)切頂高度為7 m 時(shí)，應(yīng)力在2.5 m處達(dá)到峰值，隨著高度的逐漸增加，應(yīng)力極值向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移。當(dāng)切頂高度變?yōu)? m 時(shí)，應(yīng)力在3.5 m 處達(dá)到峰值，但當(dāng)切頂高度為11 m 時(shí)，則對應(yīng)力極值的轉(zhuǎn)移程度無明顯影響。綜合分析可知，隨著切頂高度的增加，垂直應(yīng)力的峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，并且數(shù)值逐漸降低，驗(yàn)證了切頂高度對卸壓效果具有明顯作用。根據(jù)圖6 所示，不同切頂角度下，應(yīng)力峰值的并未發(fā)生明顯的數(shù)值變化，3 種切頂角度對應(yīng)的應(yīng)力峰值為4.2 MPa、4.6 MPa、4.7 MPa，同時(shí)在空間方面也未發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)移特征，因此可知，切頂角度與頂板卸壓效果無明顯關(guān)系。

4 結(jié)語

（1）無煤柱自成巷技術(shù)關(guān)鍵在于切頂爆破技術(shù)，對比了傳統(tǒng)非聚能爆破與聚能爆破方式的差異性，同時(shí)推導(dǎo)了2 種不同方式下巖石受拉破壞的裂紋擴(kuò)展公式。

（2）采用數(shù)值模擬方法對預(yù)裂切縫高度與預(yù)裂切縫角度進(jìn)行分析，增加切頂高度可以對頂板起到更好的支撐作用，減少間隔離層空間，當(dāng)切頂高度過大時(shí)將會(huì)影響頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。增加切縫角度有利于頂板的垮落，降低對巷道頂板的力學(xué)傳遞作用，同時(shí)對巷道的封閉程度會(huì)降低。

（3）在數(shù)值模擬過程中對實(shí)體煤側(cè)的垂直應(yīng)力進(jìn)行了分析，隨著切頂高度的增加，垂直應(yīng)力的峰值向煤體深部轉(zhuǎn)移，驗(yàn)證了切頂高度對卸壓效果具有明顯作用，而切頂角度與頂板卸壓效果無明顯關(guān)系。