預裂爆破切頂卸壓技術及切頂參數合理選取研究

中圖分類號：TD322 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）07-0034-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.07.007

Top Cutting and Pressure Relief Technology of Pre-fracturing Blasting and Reasonable Selection of Top Cutting Parameters

HE Haoda'LOU Peijie12 （1.School of Civil Engineeringand Construction，Anhui Universityof Technology，Huainan 232Oo1，China; 2.State KeyLaboratory for Fine Exploration and Intelligent Development of Coal Resources， China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract：[Purposes] This study aims to address the issue of the 131105 working face mining affecting the use of the central roadway in a coal mine，by using pre-fracturing blasting technology to cut off the stress from the mined area and transfer it to the mined area sideways，thus ensuring the normal use of the central roadway.The optimal parameters for cuting-top relief are proposed to achieve the best relief effect.[Methods] This study analyzes the cuting-top relief mechanismand derives the basic scheme for cutting-top relief through theoretical analysis and engineering analogy.The analysis is conducted using the FLAC3D software at different heights and angles to obtain the optimal cutting-top height and angle，

thereby verifying the rationality of the basic scheme.[Findings] The study shows that the cutting-top angle should not be too large nor too small，with the optimal angle being .As the cutting-top height increases，the degree of stress concentration on the side of the mined area gradually decreases.When the cutting-top height exceeds 2 5 m ，the degree of stress concentration changes litle. Ultimately，a cuttingtop height of 2 5 m is chosen.[Conclusions] By pre-fracturing blasting on the side of the working face and selecting reasonable cutting-top parameters，it is possble to effectively cut off the stress transfer from the hard roof and reduce the peak support pressure， thereby achieving the goal of protecting the side roadway，which providesreferenceand guidance forsimilarmines.

Keywords：mining influence; pre-fracturing blasting; cuting top and relieving pressure; FLAC ; numerical simulation

0 引言

隨著我國煤礦開采強度和深度的增加，地應力、采動應力影響范圍、應力集中系數逐漸增大，加之巷道圍巖力學性質的惡化，巷道變形愈發劇烈[]。煤礦在進行回采作業時，受采掘影響應力重新分布，在工作面前方形成超前支承壓力，超前支承壓力具有隨回采向前移動的特點，若工作面前方超前支撐壓力影響范圍內存在巷道，巷道必將受其動壓影響。同樣在工作面回采時，工作面側方也會存在側向支撐壓力，若工作面側向支撐壓力影響范圍內存在巷道，隨著工作面向前推移，側向巷道也會受到動壓影響。為了避免巷道受附近工作面采動影響，可以采取切頂卸壓的方法來削弱影響。

近些年來，我國學者在切頂卸壓方面做了大量研究，朱文慶等3針對工作面末采階段采區大巷圍巖變形失穩問題，基于力學模型和理論計算，分析原因后提出深孔預裂爆破技術，以破壞超前支承壓力傳遞路徑，提高大巷圍巖穩定性；陳金宇等4通過對孤島工作面回采巷道受相鄰工作面采空區未完全垮落老頂高支承壓力影響的問題進行研究，采用水力切頂方法切斷采空區老頂壓力傳遞路線，降低孤島工作面回采巷道應力，使回采巷道支護維護更加容易；李漢璞等5以賈家溝煤礦10115運輸巷為工程背景，通過\"切頂卸壓 + 頂、幫錨索補強\"聯合控制技術，對巷道進行切頂卸壓處理，以切斷應力傳遞，降低礦壓顯現強度，發現在兩次采動影響下，巷道圍巖變形呈現不同規律，二次采動影響下變形更加劇烈，結果表明，通過該技術可保證巷道圍巖穩定；孫靖康等針對沿空留巷切頂卸壓前后底板力學分析不全面的問題，構建力學模型分析影響巷道底鼓量的因素，通過數值模擬驗證切頂卸壓前后變化，結果表明該技術可縮小破壞區域，穩定圍巖結構，降低應力和底鼓量，現場應用也證實其能優化應力結構、抑制底鼓并改善底板破壞情況。

某煤礦東三集中大巷曾受已采工作面動壓影響，局部出現底鼓、變形，現基本穩定的情況，考慮到131105工作面回采會對其產生二次動壓，影響正常使用。通過人為制造損傷裂隙，使頂板定向破壞，切斷頂板完整性，阻斷應力傳遞，以降低巷道變形破壞，保障其正常使用。本研究采用理論分析與數值模擬，探究不同切頂高度和角度下側向支撐壓力分布，進而選取合理參數。

1 工程概況

131105工作面為走向長壁開采，工作面切眼長2 4 4 . 0 m （平距），傾斜長 2 5 5 . 5 m 。工作面可采面積為 ，地層傾角為 ，平均 。該工作面11-2煤厚總體穩定，總體煤厚 1 . 2 0 ～ 3 . 3 3 m ，平均煤厚 2 . 4 0 m 。131105工作面11-2煤頂、底板均發育多層砂巖，直接頂為 2 . 4 m 厚泥巖，老頂為 4 . 2 m 厚細砂巖，直接底為 1 . 5 m 厚泥巖，老底為 2 . 2 m 粉砂巖。

2預裂爆破切頂卸壓機理

在進行切縫施工前，巷道頂板和待保護巷道及煤柱頂板是一個整體結構，兩者運動狀態具有高度協同性，完整的塊體A和未斷裂的塊體B形成了一個懸臂梁結構，其將傳遞來自采空區頂板巖層的壓力，從而增大采空區側向煤體的壓力，進而影響側向系統巷道的穩定性。預裂爆破后，可使頂板相鄰的炮孔間形成貫通裂縫，塊體A和B沿著預裂切縫斷開，頂板結構連接狀態發生改變，如圖1所示。采空區頂板巖體在周期來壓作用下沿深孔預裂損傷面滑落，垮落后的矸石作為充填體8，煤柱頂板保持原有狀態不變。基于短壁梁理論的切頂卸壓技術，在回采巷道將要形成的采空區一側進行爆破預裂，切斷頂板的應力傳遞路徑，縮短頂板懸臂梁的長度，減少保留巷道煤體受到回采動壓的影響[9。此措施使煤柱受頂板作用力大大減少，可保證巷道使用期間的穩定性。

3切頂卸壓方案

3.1 切頂高度

根據131105膠帶順槽及切眼巷道賦存情況，結合頂板巖性分布及現場實施經驗，預裂切縫損傷鉆孔高度與采高有關，一般通過式（1）確定。

式中： 為炸高， 為采高， m; K 為碎脹系數，取 1 . 3 ～ 1 . 5 。

結合上覆巖層特性，采空區頂板冒落煤矸石碎脹系數 K 取最小值1.3，工作面采高 為 2 . 7 m 時，計算得出 ，結合頂板巖性情況及巷道的寬度為 5 . 8 m ，煤層傾角為 ，為了破壞上覆巖體結合煤層賦存頂底板巖性，綜合考慮上述計算結果和施工操作的難度，切縫孔高度應為 2 3 m 以上，取 2 5 m 。

3.2 鉆孔角度與孔間距

切縫角度為爆破鉆孔與垂直線間的夾角（偏向采空區），切縫角度不宜過小也不宜過大，切縫角度過小采空區頂板難以沿著切縫滑落，切縫角度過大會增加懸臂梁長度，影響切頂卸壓效果。類比其他工作面工程實踐，結果表明切縫角度為 時有利于巷道穩定，切縫孔間距設計為（ 5 0 0 0±5 0 0 ） m m ○

3.3 鉆孔深度

鉆孔深度可以按照切頂高度及鉆孔角度來計算，計算公式見式（2）。

式中： L 為鉆孔深度， 為切頂高度， m; θ 為鉆孔與豎直方向的夾角，取 ；δ為鉆孔與巷道夾角，取 。由式（2）計算可得鉆孔深度 L 為 2 7 . 6 m 取 2 8 m ，炮孔直徑確定為 9 4 m m 。

4數值模擬

4.1 模型建立

本研究通過FLAC3D軟件對某礦131105工作面切頂卸壓方案進行模擬分析，得出合理的切頂卸壓參數。以該礦131105工作面為工程背景，根據實際的工程地質條件建立尺寸為 3 0 0 m×1 0 m×1 5 0 m 的數值模型，煤層埋深 7 2 0 m ，巖層傾角為 。固定模型左右邊界 x 方向位移，前后邊界 y 方向位移，底部邊界 z 方向位移，模型上部邊界施加等效載荷，其值為 ，計算 q 約為 1 5 M P a ，側壓系數取1.3，數值模擬采用Mohr-Coulomb本構模型。

4.2 不同切頂角度數值分析

為了模擬最佳切頂角度，以 2 0 m 的切頂高度分別選取 和 切頂角度進行數值模擬計算，分析工作面回采后，回采巷道一側側向支撐壓力的分布情況，從而選取較合理的切頂角度。

未切頂及各個角度切頂后采空區一側垂直應力分布如圖2所示。由圖2可知，未切頂時，當工作面回采后一側產生很大的應力集中，采用深孔爆破切頂后，工作面側向的應力集中有所減小。由圖2還可以看出，切頂后工作面一側高應力區明顯減小，且應力集中區域沿切縫向上方轉移，使得工作面側向應力峰值也有所下降，說明爆破切頂后有效地切斷了頂板完整性，阻斷了采空區上覆巖層荷載向工作面側方傳遞，改變了側向支撐壓力的分布狀態。

本研究通過在數值模型中布置監測點，監測采空區一側的垂直應力數據，監測位置設置在回采巷道幫部中間位置，向深部巖土體延伸，不同切頂角度側向支撐壓力峰值對比如圖3所示。由圖3可知，當切頂角度為 時，應力峰值處于最小的狀態，此后隨著角度的增大，應力峰值逐漸增大，可以看出切頂角度 后增大切頂角度反而對切頂效果起反作用，說明切頂角度并不是越大越好，切頂角度大反而增加了懸臂梁長度，卸壓效果差。所以需要選擇最佳的切頂角度，最終選擇切頂角度 ，由此可見切頂角度在 。

4.3 不同切頂高度數值分析

切頂高度對卸壓效果有明顯影響，利用FLAC3D軟件建立計算模型，分別模擬切頂高度為0、10、15、20、25、30和 3 5 m ，切頂角度為 時的采空區一側垂直應力分布特征，繪制側向支撐壓力曲線并進行對比，最后選擇合適的切頂高度。不同切頂高度，采空區一側垂直應力分布如圖4所示。由圖4可知，與未切頂時進行對比，切頂操作切斷了頂板的應力傳遞路徑。隨著切頂高度的不斷增加，采空區側向的應力峰值呈現逐漸降低的趨勢。由圖4還可以看出，采空區一側的高應力區，其應力峰值相較于未切頂時出現了明顯下降。當切頂高度為1 0 m 時，可以發現高應力區的范圍朝上方巖層擴展，進而形成了連貫的高應力區。當切頂高度為15、20、25、30和 3 5 m 時，可以發現高應力區伴隨切頂高度的遞增而不斷向上方延伸轉移，逐漸構建成兩個高應力區，在切頂高度為 3 0 m 和 3 5 m 時這種現象極為明顯，而且這些高應力區均位于切縫的右側不遠處。分析上述現象能夠得出，切頂卸壓后能夠顯著降低采空區側向的支撐壓力峰值，然而側向高應力區的范圍會隨切縫高度向上方轉移延伸。

不同高度切頂后側向支撐壓力峰值對比如圖5所示。由圖5可知，未切頂時采空區一側支撐壓力峰值為 7 8 . 9 7 M P a ;當切頂高度為 1 0 m 時支撐壓力峰值為 7 6 . 9 5 M P a ，較未切頂時應力集中現象有明顯改善；當切頂高度為 2 0 m 時應力峰值為 6 9 . 4 8 M P a 當切頂高度為 2 5 m 時應力峰值為 6 7 . 0 9 M P a ，而當切頂高度為 3 0 m 和 3 5 m 時應力峰值變為 6 6 . 6 M P a 和 6 5 . 8 M P a ，應力峰值下降幅度減小。采空區一側頂板一定范圍內有非常明顯的卸壓區。隨著切頂高度的增加，采空區一側應力集中程度越來越低，但當切頂高度超過 2 5 m 后，繼續增加切頂高度，采空區一側應力集中程度變化不明顯，考慮鉆孔工作量，該礦131105工作面最佳切頂卸壓高度選擇2 5 m ，與上文所得切頂高度一致。

5結論

① 經過理論分析和工程類比法得出，該礦131105工作面切頂卸壓切頂高度為 2 5 m ，鉆孔深度為 2 8 m ，切縫角度為 時能夠有較好的卸壓效果，確保巷道的穩定。爆破鉆孔間距為（50 0 0±5 0 0 ）mmo

② 通過FLACD數值模擬分析可知，隨著切頂角度的增加，切頂后應力集中峰值先減小后增加，切頂角度不是越大越好，切頂角度越大反而增加懸臂梁長度，卸壓效果不好，最佳切頂角度選擇為 ○隨著切縫高度的增加，應力集中峰值逐漸減小，當切頂高度超過 2 5 m 后，應力集中程度變化不明顯，因此選擇最佳切頂高度 2 5 m ○

③ 數值模擬結果驗證了理論分析和工程類比法所得出參數的合理性，通過對工作面側向進行預裂爆破切頂可以有效切斷頂板的應力傳播，降低采空區側向支撐壓力峰值，從而達到保護大巷的目的，研究結果可為類似條件的礦井提供參考。

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