【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】
創新點
切頂卸壓無煤柱自成巷技術是一項先進的無煤柱採煤技術，該技術充分利用頂板巖體的碎脹特性，進一步取消了沿空留巷中的充填體，通過預裂切頂的方式實現自動成巷，目前已在我國進行了大量試驗和推廣。預裂切頂是無煤柱自成巷技術的核心，預裂切頂的效果直接關係到成巷的穩定性。該文系統研究了預裂切頂的作用機理，並對不同切頂條件下巷道圍巖響應規律進行了深入研究，得到了切頂高度和切頂角度對留巷圍巖變形、礦壓分佈的影響機制，研究成果對新工法的切頂參數設計有一定參考價值。
作 者
高玉兵1,2,楊 軍1,2,王 琦1,3,王亞軍4,何滿潮1
作者單位
1. 中國礦業大學(北京) 深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室；2. 中國礦業大學(北京) 力學與建築工程學院；3. 山東大學 岩土與結構工程研究中心；4. 同濟大學 土木工程學院
1
研究背景
切頂卸壓無煤柱自成巷技術是一項先進的無煤柱採煤技術,該技術充分利用頂板巖體的碎脹特性,進一步取消了沿空留巷中的充填體,通過預裂切頂的方式實現自動成巷,預裂切頂的同時,減弱了採空區頂板與巷道頂板間的結構傳遞,巷道應力環境得到一定改善。目前,切頂卸壓無煤柱自成巷技術已於薄煤層、中厚煤層、厚煤層、堅硬頂板、複合夾煤頂板、高瓦斯、大埋深等不同地質和採礦條件下進行了試驗和推廣,取得了良好的經濟和社會效益。
無煤柱自成巷技術的核心是頂板預裂切縫,預裂效果的好壞直接關係到巷旁矸石的垮落狀態及卸壓效果,因此對頂板預裂技術的研究至關重要。與無煤柱自成巷頂板預裂技術相似的是深孔爆破及水壓致裂技術,這2項技術同樣可起到卸壓和控制地質災害的目的。
總結相關研究成果可以發現,通過技術手段改變工作面或巷道圍巖結構固有連接狀態,是一種控制礦壓或減少地質災害的有效手段。以往的研究多是集中在深孔爆破或水力致裂技術的現場應用案例,而對切頂或致裂參數變化對圍巖運動或礦壓規律的影響研究較少。無煤柱自成巷頂板預裂技術與常規卸壓技術不同的是,該技術實施位置為巷道頂板與採空區頂板的交界處,預裂爆破在促進採空區頂板垮落的同時要減少對巷道頂板的擾動,因此爆破控制更為精準和嚴格。然而,目前關於該技術的作用效果研究很少。筆者以檸條塔煤礦無煤柱自成巷試驗工程為背景,綜合運用理論分析、數值計算及現場試驗等手段,對預裂成縫的機理及預裂切頂對巷道圍巖礦壓顯現的影響規律進行了研究,研究成果對於完善無煤柱自成巷理論和技術體系有一定意義。
2
摘 要
預裂切頂是無煤柱自成巷技術的核心,預裂切頂的效果直接關係到成巷的穩定性。以檸條塔煤礦無煤柱自成巷工程項目為背景,首先運用理論分析方法研究了預裂切頂的機理,進而運用離散元數值模擬方法和現場試驗方法,對不同切頂條件下巷道圍巖的響應規律進行了研究。
研究發現,非聚能爆破模式下裂隙向四周擴展,導致巷道頂板形成裂隙分支,破壞巷道頂板的完整性。聚能張拉爆破模式下,應力波在侵徹裂隙的導向作用下可實現定向成縫。為達到理想的切頂效果,裝藥量及孔間距需協調設計,以保證孔間裂隙貫通。切頂參數變化對巷道圍巖的整體變形及礦壓分佈有重要影響。
在一定範圍內,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體煤幫上的應力峰值,但切頂高度不宜過大,否則會增大施工難度,且會增大留巷變形。切頂角度對礦壓顯現亦有一定影響。當垂直巷道頂板切縫時,巷道圍巖變形最大,但當切縫向採空區偏斜10°~20°,留巷圍巖變形明顯減小。檸條塔煤礦4.1m採高、砂岩為主頂板的條件下,爆破孔間距為600mm,單孔裝藥量為3200g時,切頂高度設計為9.0m,切頂角度為10°時,矸石垮落充分,成巷效果較好。
總結認為,切頂高度影響的是採空區矸石的碎脹體積及其對切頂短臂結構的作用力,切頂角度主要影響採空區頂板在垮落中對切頂短臂結構的動態下墜力及穩定後對切頂短臂結構的穩態支撐力,無煤柱自成巷預裂切頂的關鍵是保證採空區頂板和巷道頂板切得開,在切頂參數設計時應綜合考慮預裂效果和切頂後碎脹矸石與切頂短臂結構的作用關係。
3
文中圖片
無煤柱自成巷試驗工作面平面佈置
2種爆破模式下頂板巖體裂隙發育趨勢
數值計算模型
不同切頂高度圍巖結構形態及變形特徵
不同切頂高度實體煤幫應力分佈
不同切頂角度圍巖結構形態及變形特徵
不同切頂角度實體煤幫應力分佈
現場預裂切頂高度試驗方案
現場預裂切頂角度試驗方案
不同切頂高度典型測點全過程變形監測曲線
現場試驗區不同切頂高度頂底板移近量統計
不同切頂角度典型測點全過程變形監測曲線
現場試驗區不同切頂角度頂底板移近量統計
現場預裂切頂試驗效果
作者簡介
高玉兵，男，1989年10月出生，山東煙臺人，博士，現任中國礦業大學（北京）師資博士後/講師。
研究方向
切頂卸壓無煤柱自成巷110/N00工法
主要成果
主持博士後面上基金項目1項、深部岩土力學與地下工程國家重點實驗室開放基金項目1項，現場技術負責無煤柱開採110工法橫向項目10餘項。以第一作者(通訊作者)發表SCI/EI檢索論文20餘篇，1篇入選第四屆中國科協優秀科技論文，1篇入選2018年度領跑者F5000-中國精品科技期刊頂尖學術論文。先後獲得中國煤炭工業協會科學技術一等獎、陝西煤炭工業科技成果特等獎、中國岩石力學與工程學會科學技術二等獎各1項。參編專著/教材1部，參編標準1部，中國專利5項。擔任《Journal of Petroleum Science and Engineering》、《Natural Resources Research》、《Journal of Geophysics and Engineering》、《Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects》等期刊審稿人。
來源：
高玉兵,楊軍,王琦,等. 無煤柱自成巷預裂切頂機理及其對礦壓顯現的影響[J]. 煤炭學報,2019,44(11):3349-3359.
GAO Yubing,YANG Jun,WANG Qi,et al. Mechanism of roof presplitting in a nonpillar mining method with entry automatically retained and its influence on the strata behaviors[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(11):3349-3359.
免責聲明：以上內容轉載自煤傳媒，所發內容不代表本平臺立場。
全國能源信息平臺聯繫電話：010-65367702，郵箱：[email protected]，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社
