预裂爆破切顶卸压沿空留巷关键参数研究_刘文伟.pdf

预裂爆破切顶卸压沿空留巷关键参数研究 刘 文 伟 （山西新元煤炭有限责任公司 ， 山西 晋中 030600 ） 摘要 以 18506 工作面为工程背景， 开展切顶卸压沿空留巷技术研究。 结合顶板岩性， 充分利用顶板 易垮落的特点， 通过理论分析与数值模拟计算确定了合理的切顶高度和角度及爆破间距。 在实施切顶 前， 采用恒阻大变形锚索加强顶板支护。 之后采用聚能爆破管及三级乳化炸药进行定向致裂顶板。 经 过后续的现场监测， 发现现场试验阶段留巷取得成功。该项研究进一步完善了沿空留巷技术理论， 同 时对类似地质条件下的工程应用也有一定参考借鉴意义 关键词 巷道切顶 ； 沿空留巷 ； 无煤柱开采 ； 预裂切缝 中图分类号 TD353； TD823文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0183- 04 Research on Key Parameters of Retaining and Retaining Along Goaf in 18506 Transportation Lane LIU Wenwei （Shanxi Xinyuan Coal Co., Ltd. , Jinzhong 030600 , China ） Abstract Taking the 18506 working face of Mine as the engineering background, the research on the technology of cutting the roof and removing the pressure along the goaf is carried out. Combining with the lithology of the roof and making full use of the characteristics of the roofs easy fall, a reasonable cutting height and angle and blasting interval were determined through theoretical analysis and numerical simulation calculation. Before the top- cutting is carried out, the constant- resistance large- deation anchor cable is used to strengthen the roof support. Then, a concentrated energy blasting tube and a three- stage emulsified explosive were used to per the directional cracking roof. After follow- up on- site monitoring, it was found that the lane retention was successful duringthe field test. This research further improves the technical theory of retaining roads along goafs, and also has certain reference significance for engineering applications under similar geological conditions. Key words roadwayroofcutting; roadwayretainingalonggoaf; nocoal pillar mining; pre- splittingand cutting 1工程概述 18506 工作面走向长 1302m， 倾斜长 251m。 工作 面所采煤层为石炭系太原组 8 号煤层， 平均厚度约为 4.43m， 煤层倾角平均约为 4。 直接顶是深灰色泥灰 岩， 厚度约为 2.32m。老顶是灰色粉砂岩， 层厚约为 2.33m。直接底是灰黑色粉砂质泥岩，厚度约为 4.87m。由于工作面回采后会遗留煤柱，造成资源浪 费。为了减少煤炭资源浪费的现象， 决定在 18506 运 输巷进行切顶卸压沿空留巷。巷道布置如图 1 所示。 图 1工作面巷道布置 2切项卸压沿空留巷原理 2.1切项卸压沿空留巷可行性分析 由于 18506 工作面煤层埋深较大， 且顶板为泥 砂岩， 底板为粉砂质泥岩。采用传统的砌筑矸石带 和支设密集支柱会引起巷帮支承压力过大， 从而导 致巷道变形严重。如果选用充填材料留设巷道， 费 用较大， 影响经济效益。综上所述， 决定在运输巷采 用切顶卸压沿空留巷的布置方式。 2.2切顶卸压沿空留巷技术原理 切顶卸压沿空留巷技术的作用原理就是， 使采 空区顶板沿着定向爆破的切缝线自然垮落下来， 掉 落的岩体形成新的巷帮。沿空留巷可以减少煤矿生 产的掘进量， 降低生产成本。 切顶的高度、 切顶的角度以及爆破的钻孔间距 是决定留设巷道好坏的决定性因素。想要完整的切 下直接顶， 就要确定好预裂切顶的高度。切顶的角 度会影响剪切面之间的摩擦力， 进而决定顶板是否 彻底垮落。此外还需优化爆破钻孔的间距， 避免爆 破过程中破坏想要保留的完整岩石块。 2.2.1切顶高度分析 预裂切缝深度设计公式如下 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 183 ChaoXing H 缝 （H 煤 - ΔH1- ΔH2） / （K- 1） 式中 ΔH1 顶板下沉量， m； ΔH2 底鼓量， m； K 碎胀系数， 这里取 1.4； 由于工作面煤层顶板为较为坚硬的泥砂岩， 在 切顶后能够保持良好的完整性。在这种情况下， 上 方的压力能够更好的传递到顶板， 从而使巷道的顶 板承担更少的压力， 提高巷道的稳定性。综合上述 种种原因的考虑，最终决定模拟 7m、 9m 和 12m 的 切顶高度， 以此来确定最后合适切顶高度。 2.2.2切顶角度分析 根据岩石的碎胀性可知， 如果直接沿着巷壁垂 直向上切顶，破碎的顶板岩石会挤压巷道顶板， 致 使采空区顶部不能垮落， 巷道顶板会承担一部分压 力。这样留下的巷道会发生大范围变形， 影响自身 稳定性。为了较少采空区顶板及巷道顶板间的摩擦 力， 需要斜着向上切落顶板， 具体的斜切角度可以 参照以下公式 α90- arctan L- LR hg 式中 L 为直接顶悬臂梁长度，取 18～25m;LR 为巷道宽度,取 5m;hg采空区高度取 3.5m 根据工作面的具体参数， 代入上述公式， 得出 切顶的角度在 10～15之间。 2.2.3预裂爆破间距分析确定 切顶高度和切顶角度的分析已经在上文详细 讨论。结合上述的分析， 现决定采用聚能爆破管及 乳化炸药进行定向爆破。聚能爆破管的规格为 φ48mm1500mm。 聚 能 爆 破 管 内 放 置 规 格 为 φ32mm200mm 的三级乳化炸药。爆破孔间距设 置为 600mm。聚能管安装于爆破孔内，每孔放置 5 根聚能管， 封孔长度为 2.25m 。沿工作面回采方向， 放置爆破聚能管进行切缝。布置方式如图 2 所示。 图 2爆破孔布置图 3切顶卸压关键参数分析 经过上述对切顶高度、切顶角度以及爆破孔间 距的详细讨论， 需要最终确定最佳的切顶施工参数。 因此， 决定采用数值模拟软件， 模拟分析实施各个切 顶高度以及切顶角度后， 留巷效果的质量， 选择最合 适的参数。 物理模型的高度为 46.2m， 模宽度为 210m， 模型长度为 580m。并且在巷道上方施加近似岩层自 重的 176.4MPa 载荷。固定模型后， 进行数值模拟。 1） 切顶高度分析确定 模型建立后， 赋予相应的力学参数。应力平衡 后，分别对 7m 的切顶高度， 9m 的切顶高度，以及 12m 的切顶高度进行数值模拟。模拟结果如图 3。 图 3不同切顶高度垂直应力分布云图 根据图 3 的模拟结果可以看出， 当切顶的高度 设置为 7m 时， 直接顶并没有被贯穿， 这种情况下巷 道顶板依然会受力， 不利于巷道稳定。9m 的切顶长 度完全贯穿了顶板，上覆岩层作用在采空区顶板 上， 这种情况下采空区顶板与巷道顶板间的挤压力 小。同时， 巷道的变形量也小有利于保持长期的稳 定性。12m 的切顶高度虽然同样贯穿了顶板， 但是 直接顶垮落的高度较大， 巷道帮部可能会受到直接 顶回转挤压， 留巷的质量不能得到保证。结合上述 分析， 9m 的切顶高度留巷效果最好。 2） 切缝角度分析确定。 通过上述的计算分析及讨论， 最终决定分别采 用 10的切顶角度和 15的切顶角度模拟顶板的 垮落情况。得到如图 4 的模拟结果。 图 4不同切缝角度垂直应力图 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 184 ChaoXing 根据图 4 的切顶角度模拟结果图可以看出， 当 把切顶角度设置为 10时， 采空区顶板和巷道顶板 之间的挤压力不强， 但是巷道侧帮附近出现了应力 集中现象。这样的情况非常不利于巷道的后期维 护。当把切顶的角度设置为 15时， 采空区顶板及 巷道顶板间的摩擦力较小， 并且巷道顶板的变形量 不大。与此同时采空区顶板的变形较大， 这样巷道 侧帮就不会受到回转挤压力， 后期的巷道稳定性能 够得到保障。因此选取 15的切顶角度， 留巷质量 更好。 4方案设计及切顶效果分析 4.1支护设改进 在进行切顶卸压沿空留巷方案前， 还需要考虑 原有的巷道支护方案是否能够继续维持巷道周围 围岩的稳定性， 为了更好的保证切顶卸压后， 巷道 维持较好的稳定性， 在原有的巷道支护方案的基础 上， 增加恒阻大变形锚索来进行加强支护。结合工 程实际情况， 提出如图 5 的支护设计方案。 图 5巷道支护断面参数 18506 运输巷断面尺寸为 4.52.8m， 巷道采用 锚杆 金属网 锚索联合支护方式。原本的支护方 案是在顶板布置锚杆。锚杆的规格为 Φ22 2400mm。锚杆的材质是左旋螺纹钢。锚杆间排距 8601000mm。顶板的锚索规格为 Φ21.6mm 7300mm。锚索为钢绞线锚索。锚索托盘的规格为 28528516mm。在巷道的两帮布置锚杆， 间排距 为 8001000mm。 锚杆的规格为 Φ202200mm。 材 质与顶板锚杆相同。在原有的支护基础上， 在顶板 布置恒阻大变形锚索。锚索的规格为 Φ21.8 8300mm。锚索的恒阻器长度为 300mm， 外径 72mm， 恒阻值为 332t， 预紧力不小于 28t。将恒阻大变形 锚索隔空布置在原有锚索中间的位置， 并且将恒阻 大变形锚索的间排距设置为 2000mm 。 4.2沿空留巷效果分析 为了进一步验证沿空留巷的效果， 将施工后的 运输巷掘进面后 50m 作为试验段，对试验段每隔 10m 处断面安装多点位移计， 进行为期 15 天的跟踪 监测， 试验段所得监测数据整理如图 6 所示。 图 6掘进过程中巷道断面围岩变化 由图 6 可知， 巷道顶板下沉量随时间增长逐渐 增大， 最后稳定在 400mm， 两帮移近量随时间增长 逐渐增大， 最后稳定在 120 mm。跟踪监测巷道一段 时间后， 发现巷道顶板稳定， 两帮也没有发生大变 形。说明在 15 天内巷道顶板及两帮一直处于不断 变形的阶段， 最终趋于稳定。沿空留巷后， 巷道两帮 及顶底板的变形均控制在允许范围内， 能够满足巷 道通风及行人的要求。因此沿空留巷效果良好， 在 掘进过程中巷道能正常安全的使用。 5结语 矿区以往会留设大量煤柱， 造成资源浪费。为 此， 在 18506 工作面进行切顶卸压沿空留巷。为了 保证留巷效果的质量， 在切顶前对巷道进行了加强 支护。运用数值模拟软件， 确定了最佳的切顶高度 和切顶角度。切顶卸压沿空留巷后， 进行了后续的 监测， 发现巷道顶底板及两帮的变形量均保持在允 许范围内， 说明留巷效果良好。同时也为类似条件 的煤矿实施沿空留巷提供了指导。 参考文献 [1] 张盛,王小良,吴自强,赵龙刚,刘建康,刘海峰.切顶卸压沿 空留巷爆破孔关键参数选择及留巷效果现状分析 [J].河 南理工大学学报 （自然科学版） ,2019,38 （06） 1- 9. 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