無煤柱自成巷切頂高度與切頂角度參數研究

王 甲 孫新磊 李 偉

（臨沂礦業集團菏澤煤電有限公司）

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巷技術［1-3］。該方法通過預裂爆破技術將頂板進行切落，一方面改變了巷道頂板與采空區頂板的結構傳遞方式，優化了卸壓效果。一方面降低了巷道支護成本，使巷道圍巖更加穩定［4-5］。

總結研究成果可知，無煤柱自成巷是一種有效的控制礦業顯現與維護巷道變形的工程技術，在以往的研究過程中，多注重于工程的實際應用案例，而對切頂參數的變化對頂板變形以及與圍巖作用規律的研究較少。為探究切頂關鍵參數對切頂護巷效果的影響，以聚能預裂爆破技術作為理論出發點，利用數值模擬方法重點研究切頂高度與切頂角度影響切頂效果的力學機制。

1 聚能預裂爆破技術作用機理

無煤柱自成巷切頂技術與傳統的沿空留巷技術有明顯區別，相比于傳統的沿空留巷技術額外采用了頂板預裂爆破的強制放頂技術，通過設計預裂切縫、控制切縫高度與切縫角度，將頂板在一定范圍進行切落，并使切落的頂板用以護巷處理。在實際工程中，實施預裂爆破需要保證頂板可以被有效切落，同時又不損傷巷道上方頂板的完整性，因此，對于爆破技術的控制需求尤為重要。當采用傳統的爆破技術對巷道頂板與采空區頂板進行切割時，炸藥的沖擊波與應力波將會均勻的向四周擴展（圖1（a）），此種方式既容易損傷巷道上方頂板的完整性，同時又難以對切頂效果進行有效控制，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裂爆破技術，如圖1（b）所示，此種方式控制了沖擊波與應力波的傳導方向，充分利用了巖石抗拉強度較低的力學特性對頂板進行切落。在使用過程中，通過在預裂切縫鉆孔內安放聚能爆破裝置，炸藥爆破后的沖擊波與應力波向巷道頂板與采空區頂板的交接點方向傳播，由聚能技術產生的聚能流將形成氣楔對頂板進行定向切落，限制了沖擊波與應力波的傳導方向，所以使巷道頂板的切落更加完整。

炸藥爆破后產生的沖擊波強度大于巖體的抗壓強度時，將會壓碎鉆孔壁，沖擊波繼續向巖石內部傳遞，隨著傳播距離的逐漸增加，強度也逐漸降低，由于巖石的抗拉強度最低，因此，其裂縫主要為張拉型破壞。傳統的非聚能爆破方式下，裂紋擴展方向主要沿最大環向應力方向擴展，當最大環向應力大于巖石的動力學抗拉強度，將會產生裂隙，其中裂紋擴展方向與斷裂強度因子有直接關系，環向應力σθ滿足下式：

式中，σθ為環向應力，MPa；θ為極坐標角度，（°）。

根據斷裂力學起裂角度理論與環向應力的關系式，可得出裂紋擴展的方位角滿足式（2）：

式中，KⅠ為裂紋尖端Ⅰ型斷裂強度因子，MPa·m1/2；KⅡ為裂紋尖端Ⅱ型斷裂強度因子，MPa·m1/2。

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

聚能爆破形式下的聚能流理想擴展方式即沿著導向裂隙方向繼續擴展，因此，考慮到巖石環向拉應力峰值為

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

根據環向拉應力峰值等于巖體動力學抗拉強度，可得式（5）：

式中，τt為巖體動力學抗拉強度，MPa；r0為爆破孔半徑，m。

上述負荷階躍變化工況下的仿真結果說明核動力裝置主要參數瞬態及穩態指標滿足該工況下的驗收準則，控制系統達到了預期的設計效果.

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

式中，D0為初始損傷因子。

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

在實際工程與數值模擬中，根據此公式可以計算聚能爆破的切縫寬度，在進行聚能爆破切頂技術時，通常在超前工作面進行，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的切面，則頂板爆破鉆孔的間隔距離應滿足d≤2r。根據郭屯煤礦4306 工作面的地質條件，預設切頂高度的理論值為9 m，巖石抗拉強度為1.4 MPa，初始損傷因子為0.2，根據相關文獻［4-5］帶入相關參數，可估算聚能爆破頂板裂紋擴展寬度約為309 mm，數值模擬中設計孔間距為600 mm。

2 預裂爆破切頂技術數值模擬

2.1 建立數值模型

頂板進行預裂爆破切頂技術的關鍵在于控制切縫高度與切縫角度，通過UDEC離散元數值計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力狀態進行分析。假設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，模擬淺埋地表條件下的覆巖作用力。模型的巖石力學性質如表1 所示。模擬過程中首先進行地應力平衡與巷道開挖的平衡，其次對頂板進行預裂切縫，最后對工作面進行開挖，探究巷道的圍巖變形情況。

2.2 預裂爆破切縫高度分析

在模擬預裂爆破切縫高度對頂板垮落形態的影響時，保持其他參數不變，切縫的角度垂直于巷道頂板，根據巖石的碎脹性確定模擬的切縫高度為7、9、11 m。預裂切縫高度參數對頂板垮落形態的影響如圖3所示。根據巷道與頂板的結構關系可知，預裂切縫切落的頂板改變了基本頂的結構，切落的頂板變成垮落的矸石堆落在采空區支撐上方基本頂，而上方基本頂則以掩護形式保護巷道頂板的相對穩定狀態，不同的切縫高度決定了切落的頂板對基本頂的支撐作用，頂板的切落高度與矸石堆的支撐高度不同將會改變頂板的變形以及穩定性狀態。

根據圖3（a）所示，當切頂高度為7 m 時，由于切落頂板的高度較小，碎脹系數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在垮落的矸石堆上，隨著工作面推進引起側向支撐壓力增加將會導致上方頂板二次失穩，導致圍巖的支承壓力增加。外加采空區裂隙較多，巷道漏風現象較為嚴重，不利于巷道的日常維護。

根據圖3（b）所示，當切頂高度為9 m 時，高度為9 m 的頂板垮落在采空區，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切頂高度時的位移量，由339 mm降低至145 mm。

根據圖3（c）所示，當切頂高度為11 m 時，高度為11 m 的頂板將采空區進一步充填，但由于切頂高度的增加，導致了基本頂的下墜更加嚴重，砌體梁鉸接點的穩定性遭到爆破沖擊，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，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，是否會破壞基本頂砌體梁鉸接結構的完整性。在一定程度內，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，當切頂高度過大時將會影響頂板結構的穩定性。因此頂板的切頂高度與充填度和基本頂穩定性的相關研究還需進一步加深。

2.3 預裂爆破切縫角度分析

在模擬預裂爆破切縫角度對頂板垮落形態的影響時，保持其他參數不變，根據巖石的碎脹性確定模擬的切縫角度為0°、10°、20°。預裂切縫高度參數對頂板垮落形態的影響如圖4 所示。根據砌體梁回轉失穩結構理論，當頂板切落垮塌的時候，頂板旋轉下沉將產生變形，因此，不同的切縫角度將會影響頂板的垮落形態，通過控制頂板的旋轉角度降低對巷道圍巖的影響。

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

根據圖4（b）所示，當切頂的角度改變，增加到10°以后，垮落的頂板對采空區上方基本頂的支撐力增加，同時由于存在切頂角度，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。

根據圖4（c）所示，當切頂的角度再一次改變，增加到20°以后，頂板的垮落更加順利，對巷道上方頂板的力學作用更小，但垮落的頂板難以封閉巷道，同時，巖石的碎脹作用難以有效的支撐頂板，不利于巷道的穩定性，下沉量也由此增加至206 mm。

綜上分析，當切頂角度較小時，垮落的巖石將會對巷道上方頂板產生基于擠壓和摩擦的傳遞力學作用，雖然對巷道的封閉作用較好，但是會導致頂板下沉量的增加。隨著切頂角度的逐漸增加，頂板垮落將會更加順利，同時有效抑制基本頂的回轉下沉，但當角度過大時，巖石的碎脹性難以支撐頂板并且封閉效果明顯降低。

3 切頂關鍵參數討論

在數值模擬過程中對實體煤側的垂直應力進行了監測，如圖5與圖6所示。根據圖5所示，切頂高度決定了煤壁的支承壓力效果，當切頂高度為7 m 時，應力在2.5 m處達到峰值，隨著高度的逐漸增加，應力極值向煤體內部轉移。當切頂高度變為9 m 時，應力在3.5 m 處達到峰值，但當切頂高度為11 m 時，則對應力極值的轉移程度無明顯影響。綜合分析可知，隨著切頂高度的增加，垂直應力的峰值向煤體深部轉移，并且數值逐漸降低，驗證了切頂高度對卸壓效果具有明顯作用。根據圖6 所示，不同切頂角度下，應力峰值的并未發生明顯的數值變化，3 種切頂角度對應的應力峰值為4.2 MPa、4.6 MPa、4.7 MPa，同時在空間方面也未發生明顯的轉移特征，因此可知，切頂角度與頂板卸壓效果無明顯關系。

4 結語

（1）無煤柱自成巷技術關鍵在于切頂爆破技術，對比了傳統非聚能爆破與聚能爆破方式的差異性，同時推導了2 種不同方式下巖石受拉破壞的裂紋擴展公式。

（2）采用數值模擬方法對預裂切縫高度與預裂切縫角度進行分析，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，當切頂高度過大時將會影響頂板結構的穩定性。增加切縫角度有利于頂板的垮落，降低對巷道頂板的力學傳遞作用，同時對巷道的封閉程度會降低。

（3）在數值模擬過程中對實體煤側的垂直應力進行了分析，隨著切頂高度的增加，垂直應力的峰值向煤體深部轉移，驗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系。