坚硬顶板定向断裂强制放顶技术研究及应用

坚硬顶板定向断裂强制放顶技术研究及应用
王志光
【摘要】坚硬厚顶板下安全高效采煤问题是我国煤矿开采中遇到的主要问题.为解决坚硬顶板难以垮落,容易造成顶板事故等,对霍州矿区煤层顶板K2灰岩进行了现
场取样,并通过LS-DNYA程序软件,对该顶板进行了定向断裂爆破模拟研究.在理论研究与数值模拟的基础上,确定了现场实施方案,由现场试验结果可知,采用切缝药包、扇形布孔以及预先对顶板进行弱处理,可以使顶板及时垮落,避免动力学灾害的发生,不仅保障人员和设备的安全,还为其他矿井坚硬顶板的弱化处理提供了借鉴.
【期刊名称】《中州煤炭》
【年(卷),期】2019(041)002
【总页数】4页(P50-53)
【关键词】坚硬顶板;定向断裂控制爆破;强制放顶;切缝药包
【作者】王志光
【作者单位】霍州煤电集团有限责任公司,山西霍州 031400
【正文语种】中文
【中图分类】TD823.2
0 引言
随着科学技术的不断发展和社会需求的日益增多，我国煤炭已经进入深部开采阶段，在进行深部开采过程中所面临的诸多问题也日益凸显，比如高地应力就是深部开采
中面临的一个比较棘手的问题，其中在煤矿事故中，巨厚砂岩顶板事故所占的比例较大。

当在坚硬顶板的下方进行长壁开采工作面作业时，以往所采用的方法通常是让其自然垮落，而随着工作面的不断推进，采空区上方悬空顶板的面积也在不断扩大。

这样的顶板状况如果不及时进行处理，将会形成很大的安全隐患，不仅会造成顶板下剪切破坏，同时还会产生拉应力造成拉伸破坏；另外一旦大面积悬顶突然垮落，岩层就会发生折断，产生强烈的动荷载作用，使得大量的工作面支架被推倒或破坏。

针对上述情况，有不少学者进行了强制放顶的实验，张胜利等[1]通过数值模拟并结合实际确定了定向断裂爆破的具体方案，验证了其可行性；刘儒侠[2]通过理论分析、数值模拟确定了水力压裂强制放顶的试验方案，并成功在大采高综采工作面实施；李琨[3]将PVC管串联药包以及炮泥加木楔封口技术成功运用在爆破强制放顶中；汪海波等[4]通过理论分析和工程检测的方法分析提出以爆破损伤为放顶爆破参数设计依据；高振俊[5]通过分析采高、基岩厚度与顶板岩石性来确定及优化强制放顶方案。

本文通过对霍州煤电集团公司丰峪煤业十三采区10号煤层顶板的K2灰岩进行现场取样分析，利用LS-DNYA软件开展了定向断裂爆破的顶板弱化的数值模拟研究，在此基础上，进行了开采的模型试验，得到了开采过程中顶板位移变化和压力显现规律，为现场试验的实施提供了理论依据。

1 工作面概况
煤层平均厚度较小，大约为2.35 m，煤层结构简单，全区稳定可采，共含有夹矸0～4层，下部距煤层底板0．36～1．00 m处有1层泥岩夹矸，较稳定，厚0．02～0．75 m。

其顶板为9号煤层底板，底板岩性为中—细粒砂岩、泥岩、粉砂岩以及K2灰岩，厚0．10～9．16 m，平均厚9 m，岩石硬度较大，完整性较好，在采煤过程中不易垮落。

煤层倾角在5°～22°，平均倾角为8°，整个采区为单斜构造，采区内断层，无炭柱较发育，无冲刷带，岩浆岩入侵等。

其中坚硬顶板K2灰岩的各项力学性能参数见表1。

表1 K2灰岩的各项力学性能参数Tab.1 Various mechanical properties parameters of K2 limestone单轴抗压强度sc /MPa弹性模量E/GPa泊松比/m 抗拉强度/MPa内聚力C/MPa内摩擦角ϕ/(°)99.6049.600.218.7019.5047.30
2 定向断裂爆破强制放顶数值模拟
2．1 单炮孔数值计算模拟
为了比较普通药包与切缝药包的爆破效果，利用LS-DNYA程序软件，对其进行了数值模拟。

普通药包与切缝药包数值计算模型如图1所示。

图1 普通药包与切缝药包数值计算模型Fig.1 Numerical calculation model of common and slit charge
岩体材料的失效设置为等效应力失效。

由模拟结果显示，切缝药包在岩体中所引起的破碎区范围明显大于普通药包所引起的破碎区范围。

从普通药包和切缝药包破碎范围的对比(图2)中可以看出，普通药包破碎区范围为6～8倍炮孔直径。

但是当采用切缝药包定向断裂控制爆破后，破碎区范围约为普通药包破碎区范围的2．5倍，即15～25倍炮孔直径，切缝药包的定向断裂效果显著。

图2 裂隙区模拟结果对比Fig.2 Comparison of simulation results in fracture zone
2．2 扇形孔定向断裂切顶爆破模拟
在单炮孔数值模拟的基础上，利用LS-DNYA程序软件还进行了扇形孔定向断裂切顶爆破模拟研究[6-9]。

数值计算模型长110 m、高10 m、宽1 m。

沿回风巷、运输巷各布置2组扇形炮孔，每组3个。

几何模型如图3所示，有限元模型采用5 cm划分单元，模型共计650万个单元。

装药采用2号岩石炸药，堵塞长度为1 m。

由模拟结果显示，在扇形布孔条件下，对炮孔近区的裂隙区范围进行预测后发现(图4)，左侧垂直顶板布孔的炮孔裂隙区域与单个炮孔定向断裂类似，裂隙区分布比较均匀。

但是后2个倾斜炮孔爆破后，应力波叠加作用明显，裂隙区增长显
著，整个裂隙区分布呈现梯形分布，下部裂隙区叠加作用明显。

由此可见，采用扇形孔定向断裂爆破后，可以显著削弱顶板的强度，降低其完整性，为后续顶板的顺利垮塌提供保障。

图3 扇形布孔爆破模型Fig.3 Model of sector blasting
图4 裂隙扩展区预测Fig.4 Prediction of fracture expansion zone
2．3 定向断裂切顶爆破模型试验研究
2．3．1 相似模型设计
整个模拟试验采用MCE-3D深部矿井建设工程三维模型试验系统进行。

考虑到在
工作面回采过程中需要预设起采线和终采线，实验室模型尺寸为160 cm×160
cm×40 cm，原型中工作面回采距离为130 m，经过计算确定几何相似比
CL=100。

且由现场测试与试验可得现场岩石平均密度为2．5 t/m3左右，实验室模型材料的平均密度为1．5 t/m3左右，这样可以得到密度相似比为C=1．67。

2．3．2 弱化顶板条件下模拟开采模型试验研究
本次试验加载采用1次加载全程恒压的方式，实验开始前用3个千斤顶缓慢匀速
升压至3 MPa，全程维持在此状态，恒压5 min，待压力在模型中传力完成后，
再开挖。

开挖分26次完成，每次开挖5 cm，开挖完成之后稳定一段时间后继续
开挖。

分析原岩应力条件下模型体的位移场，可知整个模型体在原岩应力条件下已经发生了位移变化，同时由于传力柱加载时的应力集中，模型体上部变形明显大于下部，且传力柱附近出现应力集中区。

弱顶板条件下开挖后煤层位移场的变化分析，从第3次开挖后采空区顶板发生了明显的位移，并有沿最左端预留裂缝向上扩展的趋势；至第8次开挖完，顶板的位移场随着开挖由左下角向右上角扩展，位移也随之发生；第9次开挖完后，顶板的位移产生区域处于2个预留裂缝之间，并且能观察
到位移上小下大，右小左大；第10次开挖使裂缝右边与裂缝下端发生应力集中，最终裂缝与采空区贯通，预留裂缝之间的老顶呈梯形整体下落，梯形整体下来后，上方悬空岩层也从中部开始发生明显位移并向上扩展；到十四次开挖顶板沿开挖方向持续松动，直至第3条斜裂缝，且越靠近工作面顶板位移越小；在15次开挖过程中，第3条裂缝与第2条裂缝之间岩体发生与第1块岩体的相类似下落，下落块体上方形成更大悬空区，悬空区岩体发生了较大位移，且中部最大；第16次到第20次开挖过程中顶板位移继续向右发展，前两大块顶板垮落形成的悬空区上方岩层也逐渐向下沉陷直至冒落，这种冒落—悬空—冒落的现象发生在整个开挖过程中16次开挖完成后大位移区域扩展到第4条预留裂缝；第21次开挖过程中第3条预留裂缝与第4条之间的块体发生了冒落，与之前不同的是，由于前2次冒落形成的悬空区域过大，超过了上方岩体的自承能力，前2次垮落的上方和第3块顶板一起发生了冒落；第22次到26次开挖使得最后1块大顶板沿第5条预留裂缝整体下落，与第3块大顶板下落过程相似，由此得到了顶板位移显现规律。

煤层以每格5 cm的顺序开挖，从左到右共26次。

根据裂缝分布，5条裂缝中间冒落部分从左到右为第1到第4块。

第1块包含1～9次开挖跨度，第2块包含10～14次开挖跨度，第3块包含15～20次开挖跨度，第4块包含21～26次开挖跨度。

压力盒10、16曲线的变化规律一致，均符合应变减小压力增大，应变增大压力减小。

应变盒数据变化曲线如图5所示。

图5 应变盒数据变化曲线Fig.5 Strain box data change curve
压力盒10在挖第5—13格时压力增大；13格—21格时压力减小，其中第1块下来过程中压力急剧减小，第3块下来后压力略微增大。

压力盒16在挖第12—21格时压力增大，21—22格时压力减小，挖22格后压力维持。

由此得到了开采过程中坚硬顶板的压力显现规律。

综上所述，在坚硬顶板位移和压力显现规律的理论基础上，预先对煤层顶板进行弱化，可以实现对顶板的定向断裂强制放顶，并能有效地避免动力学灾害的发生，实现对人员安全和设备的保障。

3 定向断裂切顶爆破现场试验
3．1 现场试验方案的确定
采用定向断裂控制爆破分别在切巷和回风巷、运输巷进行顶板弱化。

对于切巷顶板来说，在工作面切眼内布置2排炮眼，其中“拉槽”孔垂直顶板布置，放顶深度
为12～15 m，孔径为94 mm，孔间距为5 m；范围扩大孔参数同上，炮孔向煤
壁侧倾角为40°～50°；而对于回风巷、运输巷顶板来说，在回风巷、运输巷距切
巷每隔5 m布置一组炮孔。

3．2 现场试验效果分析
通过实施深孔预裂爆破，当综采工作面推进至15 m时，顶板出现2/5大面积的
垮落，当工作面推进至25 m时，顶板全部垮落，采空区被垮落的岩石充实，在工作面初采过程中，未出现顶板切顶，支架压死等现象，达到了顶板预裂弱化的效果，不仅有效地破坏了K2灰岩顶板的完整性，降低了承载能力，实现了厚实、坚硬顶板的及时垮落，避免了冲击地压等事故的发生，还实现了采煤的安全生产，使企业的直接经济效益增加了500多万元。

4 存在的问题及改进
定向断裂控制爆破强制放顶技术效果良好，具有广泛的推广应用价值，但是也存在着一定的问题有待完善。

(1)装药问题。

厚实顶板爆破炮孔深，装药长度大，目前没有与之配套的施工机械，采用人力装药强度大，施工效率低。

因此，要合理的装药设备替代人力装药，提高施工效率，这是该技术得以推广应用的前提。

(2)定向断裂效果的检验。

爆破后炮孔表面无明显变化，炮孔深部的裂隙及损伤范
围难以精确测量。

为此需要进行爆破效果评估，采用声波、振动等先进的测试手段，及时对爆破效果进行评估，变事后评价为事前预测，继续优化爆破设计，降低施工成本，提高施工效率。

5 结论
通过对霍州煤电集团公司丰峪煤业十三采区10号煤层坚硬顶板K2灰岩进行现场
取样，在所测定的K2灰岩的相关力学参数基础上，利用LS-DYNA程序软件对单炮孔爆破和扇形布孔爆破的应力波传播叠加规律进行了研究，得到了开采过程中顶板位移变化和压力显现规律，在以上理论和技术的指导下，实施了坚硬顶板强制放顶的现场试验，实验结果显示，对顶板使用切缝药包爆破以及进行扇形布孔和顶板预先弱化后，顶板在预计位置垮落，垮落效果良好。

此外，该技术不光可以解决霍州矿区K2灰岩的顶板问题，同时也为其他煤炭企业坚硬顶板弱化问题提供了借鉴。

研究成果具有广泛的适用性和发展前景，具有良好的社会效益。

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