1、2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.024动压影响巷道切顶卸压护巷技术研究（山西煤炭运销集团和尚嘴煤业有限公司，山西 大同 037000）摘要 和尚嘴煤矿5110工作面运输巷顶板易形成应力集中区，为保证巷道围岩的稳定性，在巷道顶板进行超前预裂爆破，减小巷道顶板压力与巷道的变形量。通过理论计算和FLAC3D模拟可知，巷道切顶高度为8 m、角度为15毅时爆破效果最优。预裂爆破后采空区顶板基本随采随冒，未出现大面积悬顶；最大顶板下沉量均低于500 mm。预裂爆破切顶卸压取得良好效果。关键词 动压；预裂爆破；切顶卸压；顶板中
2、图分类号 TD327.2文献标识码 B文章编号1672蛳9943（2023）05蛳0074蛳030引言沿空留巷技术虽然能够减少巷道掘进量、提高资源回收率，但随着回采进度的不断推移，后方采空区直接顶上部的亚关键层悬顶面积随之增大，留巷压力增大，造成留巷遭受不同程度的破坏，影响留巷效果咱员原圆暂。在沿空留巷技术实施过程中，针对顶板压力影响留巷效果的难题，采用切顶卸压护巷技术，超前对回采工作面上方顶板亚关键层进行切顶卸压爆破，亚关键层提前垮落既能减少采空区悬顶面积又使上覆岩层垂直应力滞后显现，使得顶板压力提前释放，达到保护巷道的目的咱猿原缘暂。1工作面概况5110 工作面位于一采区南部，南侧为已掘
3、51121皮带巷，西为矿界，北侧为已采 5108 工作面。工作面主采煤层厚度 6.37.3 m，倾角 1毅2毅，煤层顶板主要由中粒砂岩砂岩、泥岩组成，底板主要由泥岩、粉砂岩组成。该工作面采用沿空留巷技术，5108 工作面回风巷留作 5110 工作面运输巷，巷道采用锚网索支护，局部采用架棚支护。顶 板 和 两 帮 分 别 采 用 规 格 为准20 mm 2 400 mm 和准18 mm2 400 mm 高强左旋螺纹钢锚杆，间排距均为 1 000 mm1 000 mm，配合采用 250 mm250 mm12 mm 托盘。锚索采用准17.8 mm9 300 mm 高强钢绞线锚索，间排距2 000 m
4、m3 000 mm，配合采用 300 mm300 mm12 mm 托板。钢筋网采用准6 mm 钢筋焊接，规格为1 800 mm700 mm，网格为 120 mm120 mm。局部采用 12#矿用工字钢支护，排距为 1 000 mm。2切顶卸压护巷原理受动压影响，沿空巷道顶板易形成应力集中区，围岩变形量大。为保证巷道围岩的稳定性，在巷道顶板进行超前预裂爆破，切断了留巷段与工作面煤层顶板在一定深度范围内的应力传递，将上覆岩层悬臂长梁结构切断为悬臂短梁，减小巷道顶板压力与巷道的变形量咱远原10暂。切顶卸压后顶板岩层破断结构如图 1 所示。图 1顶板岩层破断结构由图 1 可知，沿空巷道采用爆破预裂顶板
5、岩层后，不仅降低了初次来压强度，还能够缩短基本顶来压步距，减小了采空区悬顶面积，将上覆岩层的垂直应力滞后显现，使得顶板压力提前释放，达到保护巷道的目的。3切顶卸压参数设计3.1切顶高度（1）理论计算。巷道顶板预裂爆破切顶高度Hf为：Hf=（H-驻H1-驻H2）/（K-1）式中：H为采高，m；驻H1为顶板变形量，m；驻H2为底板变形量，m；K为碎胀系数，取 1.31.5。上覆岩层基本顶断裂预裂爆破位置直接顶顶煤爆破垮落顶板能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5742023 年 10 月Oc
6、t.,2023邓文佳动压影响巷道切顶卸压护巷技术研究5110 工作面采高 3 m，顶板岩层碎胀系数取1.35。在不考虑顶底板变形量的情况下，计算可得切顶高度Hf=8.6 m。（2）数值模拟。采用 FLAC3D模拟在巷道顶板岩层施工 6、8、10 m 的预裂爆破孔时垂直应力及位移分布情况，验证不同切顶高度对爆破效果的影响。建立 200 m100 m50 m 的力学模型，垂直方向施加 15 MPa 应力。模拟参数如表 1 所示。表 15110 工作面运输巷模拟参数当沿空 5110 工作面运输巷未进行顶板预裂爆破时，巷道垂直应力及位移分布情况如图 2 所示。（a）应力（b）位移图 2顶板预裂爆破前垂
7、直应力及位移分布情况由图 2 可知，5110 工作面运输巷未进行顶板预裂爆破时，巷道实体煤侧出现明显应力集中现象，最大垂直应力为 37.5 MPa，且应力集中区与巷道间距较小，为 6 m；巷道采空区侧顶板下沉量大，最大垂直位移为 645 mm。因此，顶板预裂爆破前巷道围岩变形量大，对巷道的安全性影响较大。当沿 5110 工作面运输巷分别施工深度为 6、8、10 m 的预裂爆破孔时，巷道垂直应力及位移分布情况分别如图 3、4 所示。岩层弹性模量/GPa密度/（kg/m3）摩擦角/（毅）粘结力/MPa抗拉强度/MPa抗压强度/MPa上覆岩层8.02 600226.08.055基本顶5.22 400
8、254.85.040直接顶2.82 200322.92.8305 煤1.21 420201.21.012直接底2.72 500232.62.628基本底3.22 300263.33.032图 3不同切顶高度巷道垂直应力分布情况（a）6 m（b）8 m（c）10 m图 4不同切顶高度巷道垂直位移分布情况（a）6 m（b）8 m（c）10 m由图 3、4 可知，5110 工作面运输巷进行顶板预裂爆破后，垂直应力及位移均有了明显减小。当预裂爆破深度分别为 6、8、10 m 时，巷道最大垂直应力分别为 32.5、25.7、26.5 MPa；巷道最大垂直位移分别为 547、485、609 mm。模拟结果
9、表明，预裂爆破深度为 8 m 时，爆破效果最优。3.2切顶角度（1）理论计算。巷道顶板预裂爆破后顶板力学示意如图 5 所示。应力/MPa位移/mm应力/MPa应力/MPa应力/MPa位移/mm位移/mm位移/mm752023 年 10 月Oct.,2023图 5力学简化模型由图 5 可知，顶板岩体保持稳定条件为：Tcos琢+（R-F）sin琢 tan琢=（R-F）cos琢-Tsin琢则，切缝角度琢为：琢=arctanR-FT蓸蔀-渍其中：F=子h，R=籽ghd式中：R为B岩块承受载荷，kN；F为阻力，kN；T为水平推力，kN；渍为摩擦角，（毅）；子为力矩，MPa/m；h为切顶高度，m；籽为岩体
10、密度，kg/m3；d为巷道宽度，m。将参数渍=27毅、子=0.13 MPa/m、籽=2 500 kg/m3、h=17 m、d=4.2 m 代入公式计算，可得切缝角度为10毅15毅时顶板岩块能够保证稳定。（2）数值模拟。采用 FLAC3D模拟切缝角度分别为5毅、10毅、15毅、20毅时，巷道垂直应力及位移分布情况如图 6、7所示。由图 6、7 可知，当 5110 工作面运输巷预裂爆破角度分别为5毅、10毅、15毅、20毅时，巷道最大垂直应力分别为 30.5、27.5、27.2、33.5 MPa；巷道最大垂直位移分别为 530、512、503、558 mm。根据模拟结果可知，切顶角度为10毅、15
11、毅时巷道顶板预裂爆破效果较好，结合矿井以往类似巷道施工经验，确定切顶角度为15毅。4工程实践5110 工作面运输巷采用爆破预裂切顶，避免了应力出现集中，保证了巷道围岩稳定性。为使爆破效果最优，采用理论计算和数值模拟确定巷道切顶高度为 8 m、切顶角度为 15毅。爆破施工前，每个爆破孔安装 3 根聚能管，孔口布置 2 m 长度的封泥。结合工作面实际，设计了 5 种爆破方案，如表 2 所示。表 2顶板预裂爆破施工方案在实际施工中，方案 5 爆破效果最佳。施工后，通过监测采空区垮落情况及巷道围岩变形量可知，预裂爆破后采空区顶板基本随采随冒，未出现大面积悬顶，最大顶板下沉量低于 500 mm。5结论沿
12、空巷道 5110 工作面运输巷顶板易形成应力集中区，造成围岩变形量大。通过（下转第 79 页）（a）5（b）10（c）15（d）20图 7不同切顶角度巷道垂直位移分布情况方案聚能管/个装药量/kg爆破方式11.5+1.5+13+3+2+1单孔爆破间隔 1 孔21.5+1.5+13+3+3+1双孔爆破间隔 1 孔31.5+1.5+13+3+3+23 孔爆破间隔 1 孔41.5+1.5+13+3+3+24 孔爆破间隔 1 孔51.5+1.5+13+3+3+14 孔爆破间隔 1 孔岩块 A岩块 BFRT琢图 6不同切顶角度巷道垂直应力分布情况（a）5（b）10（c）15（d）20应力/MPa应力/M
13、Pa应力/MPa应力/MPa位移/mm位移/mm位移/mm位移/mm能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5762023 年 10 月Oct.,2023（上接第 76 页）在巷道顶板进行超前预裂爆破，能够减小巷道顶板压力与巷道的变形量。结合理论计算和数值模拟可知，巷道切顶高度为 8 m、角度为15毅时效果最优。预裂爆破后采空区顶板基本随采随冒，未出现大面积悬顶，最大顶板下沉量均低于500 mm，预裂爆破切顶取得良好效果，有效避免了顶板应力集中，保证了巷道围岩的稳定性。参考文献1朱文庆，郝兵
14、元，刘世涛，等.工作面末采段深孔预裂切顶护巷技术研究 J.煤炭工程，2022，54（5）：97-103.2任广信.复杂薄煤层聚能爆破切顶卸压沿空留巷技术研究 J.煤炭技术，2022，41（5）：17-22.3刘乙霖，马嘉伟.大采高厚坚硬顶板巷道定向爆破切顶卸压技术研究 J.煤炭工程，2022，54（3）：50-55.4曹志强，张浩春.预裂爆破切顶卸压技术在综采工作面沿空留巷中的应用 J.煤炭与化工，2022，45（2）：12-14.5韩志远.裕兴煤业 15216 工作面坚硬顶板爆破切顶卸压机理及应用 D.徐州：中国矿业大学，2021.6彭飞.许疃煤矿预裂爆破切顶卸压护巷技术研究 D.徐州：中国
15、矿业大学，2021.7杨春虎.综采面顺槽爆破预裂切顶卸压技术实践 J.煤炭与化工，2020，43（8）：6-8.8杨军，王世彬，马小燕，等.官地矿切顶卸压沿空留巷聚能爆破现场试验研究 J.煤炭工程，2019，51（2）：28-31.9何满潮，宋振骐，王安，等.长壁开采切顶短壁梁理论及其110 工法第三次矿业科学技术变革 J.煤炭科技，2017（1）：1-9.10魏锦周，龙凤魁.晋能集团盖州煤业 9102 回风顺槽切顶卸压沿空留巷技术应用 J.山西煤炭，2017，37（5）：35-37.作者简介邓文佳（1980-），男，助理工程师，毕业于东北大学煤矿开采专业，长期从事煤矿开采技术工作。收稿日期：
16、2023-02-174效果分析采用上述支护方案后，对巷道围岩变形情况进行监测，结果如图 4 所示。图 4巷道围岩变形情况由图 4 分析可知，对复用巷道进行“锚网索联合+注浆加固”后，巷道变形量得到有效控制，顶板最大下沉量不超过 400 mm，两帮最大移近量不超过 700 mm，相对于相邻工作面巷道的顶板和两帮最大变形量 700、1 300 mm，分别减少了 42.8%和46.2%，锚网索联合支护与超前预注浆加固的有机结合，现场应用效果良好。5结论13112 巷受高应力、强动压、锚杆（索）支护不合理等多重因素影响，巷道围岩处于不稳定状态，经“锚网索联合支护+注浆加固”优化后，有效提高了巷道围岩整
17、体性。由矿压监测数据可知，13112 巷顶板下沉量和两帮移近量较相邻巷道分别减少了42.8%和 46.2%，现场应用效果良好。参考文献1王彦斌.综采工作面回采巷道锚网索分次支护工艺研究 J.江西煤炭科技，2022（4）：55-57.2乔树培.寺河矿大采高回采巷道支护参数优化探讨 J.江西煤炭科技，2022（3）：48-51.3 吴创周，柴清，李国峰，等.破碎围岩巷道锚网索喷注耦合支护技术的研究与应用 J.煤炭技术，2008，27（7）：68-70.4 刘文岗，赵毅鑫，徐任飞，等.深部巷道锚杆支护围岩稳定性研究 J.煤炭科学技术，2004，32（1）：28-31.5 陈稼轩.深井复杂条件下底板岩
18、巷预应力锚杆支护技术 J.煤炭科学技术，2006，34（10）：22-24.6 孙晓明，何满潮，冯增强.深部松软破碎煤层巷道锚网索支护技术研究 J.煤炭科学技术，2005（3）：47-51.7 王慧明.深部巷道破坏特征和掘支技术的实践 J.煤炭科学技术，2008（5）：28-30.8 黄庆显，王瑞冬.高地应力深部巷道支护技术研究 J.能源与环保，2017，39（11）：66-70.9黄庆显，韩金生.深部高应力软岩巷道围岩整体锚注技术研究 J.能源与环保，2018，40（5）：190-194.作者简介李志刚（1975-），男，工程师，毕业于辽宁科技大学采矿工程专业，长期从事井下生产技术工作。收稿日期：2023-02-17距工作面距离/mm顶板下沉量两帮移近量800700600500400300200100010203040506070800能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.579
