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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

厚层坚硬顶板切顶留巷合理切顶参数

2023-09-06




创新点
1研究发现切顶参数必须与顶板厚度变化相适应,切顶留巷实践中切顶高度和角度是直接影响因素,针对厚层坚硬顶板自身特点和现场实践难题研究在不完全切断基本顶情况下使未切顶面在矿山压力作用沿着切顶线断裂的切顶参数是重要的
2)构建了切顶留巷力学模型,计算了不同基本顶厚度条件下未切顶面拉应力与切顶高度和角度的关系,得到使采空侧顶板顺利垮落实现成功留巷,切顶高度是显著影响的,切顶角度的影响程度是与基本顶厚度呈正相关的,基本顶厚度较小时,影响程度也小。

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厚层坚硬顶板切顶留巷合理切顶参数

作者:许旭辉,何富连1, 2 ,吕 凯,王德秋,李 亮,翟文立1
单位:1. 中国矿业大学 (北京能源与矿业学院;2. 中国矿业大学 (北京共伴生能源精准开采北京市重点实验室
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 
煤层上方厚及特厚层坚硬顶板的控制问题一直是矿山开采安全领域的焦点问题,基于其自身强度高、自稳能力强的特点,工作面回采后难以垮落形成大面积悬顶,工作面及巷道周围形成较高的应力集中,若大面积悬顶整体发生垮落,形成强烈的动力冲击波,不仅工作面有强烈的矿压显现,而且巷道也会发生严重冒顶事故。切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术在消除坚硬悬顶、缓解采掘接替紧张、减少巷道掘进量及回收煤炭资源等方面具有无可比拟的优势,近年来在各个矿区及各种地质条件下进行了应用。
切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术关键在于切顶参数和爆破参数的设计,目标是切断上覆厚层坚硬顶板,使顶板快速垮落,改善巷道围岩应力环境。切顶参数包括切顶高度和角度,爆破参数主要包括孔间距、装药结构、单次起爆数量、封泥长度等,针对爆破参数的研究,主要集中于现场实践与数值模拟相结合,经过大量的试验研究,一般认为爆破孔间距为500 mm是合适的,装药结构和单次起爆数量依据窥视孔检验切缝质量是否符合切缝连通率要求,最终根据现场不同的围岩条件调整装药结构以适应顶板岩性变化。
针对切顶参数和坚硬顶板的研究,不少专家学者已经做了大量工作,对无煤柱开采技术的推广及解决坚硬悬顶问题起到了重要作用。高玉兵等基于现场工程试验,探究切顶对采空区矸石垮落的影响,增大切顶高度可以提高采空区矸石稳定性,增强成巷效果,但是增加切顶高度到一定程度各指标变化不明显;何满潮等研究了充分切顶与不充分切顶时的留巷围岩变形特征和应力分布,得出充分切顶易于顶板垮落、减小巷道围岩变形、改善围岩应力特征;马新根等针对不均质岩性的复合顶板展开切顶关键参数研究,得出8 m的切顶高度、15°的切顶角度可以降低工作面来压强度,提高卸压效果;杨军等建立了切顶成巷基本顶断裂力学模型,分析了基本顶3种不同断裂位置下的围岩变形情况,得出基本顶在较有利的情况下断裂可以提高巷道稳定性;何江等针对坚硬顶板冲击矿压问题,采用切顶预裂技术,控制了来压步距,减小了煤体应力集中,有效降低了冲击危险;陈上元等根据岩石碎涨特性和砌体梁理论对切顶留巷关键参数进行了理论推导,通过数值模拟和工程实践进行了优化应用,实现了成功留巷。
大量学者对合理切顶参数确定和解决坚硬悬顶问题已经从理论到实践进行了深入研究,极大发展了切顶留巷无煤柱开采技术的应用,对有效解决坚硬悬顶问题提供了借鉴和思路。但是面对厚及特厚层坚硬顶板,现场地质条件复杂,施工困难,关于如何能在现有实际条件下不完全切顶也能解决坚硬顶板悬而不垮问题和实现成功留巷的研究鲜有报道。因此笔者以具体工程实践为背景,通过现场调查、理论分析、数值模拟及实践应用对存在厚及特厚层顶板条件下的合理切顶参数进行了研究,对减少切顶工程量、解决悬顶问题提供了理论支撑及实践指导。
摘要
 ABSTRACT
切顶留巷工程实践中切顶高度和角度是直接影响因素,而顶板厚度变化范围较大的坚硬顶板所允许的合理切顶参数又有其特殊性。以同忻矿2号煤层北翼三盘区切顶留巷实践为工程背景,基于现场切顶留巷厚基本顶难以垮落形成大面积悬顶造成留巷效果差的事实,通过现场调查、理论建模研究、数值模拟分析及工业性试验相结合的方法研究了随坚硬顶板厚度变化的合理切顶参数。
调查研究发现固定的切顶高度是无法适应顶板厚度的变化,在较小的基本顶厚度情况下,留巷效果较好,在较大的基本顶厚度情况下,留巷围岩变形较大。建立了切顶留巷力学模型,推导了未切顶部分拉应力与切顶高度、角度和顶板厚度的关系,得出在相对较小的切顶角度范围之内,随着切顶角度的减小,未切顶面处所受到的拉应力增大,且随着切顶高度的增加拉应力增加的越显著;未切顶处拉应力大于基本顶极限抗拉强度所允许的合理切顶角度范围随着基本顶厚度的增加而减小,从工程实践来看可以达到减小悬顶长度的目的;在一定基本顶厚度条件下,未切顶处拉应力大于基本顶极限抗拉强度所允许的切顶角度范围随着切顶高度的增加而增大,即切顶高度越高,对切顶角度的限制越小;基本顶厚度越大,未切顶面拉应力达到相同值所需的切顶高度越大,基本顶厚度较小时,切顶角度变化对未切顶面拉应力影响较小,随着基本顶厚度的增大,切顶角度影响程度增大。从顶板断裂面凹凸程度、巷道顶板裂隙发育特征、巷道顶板下沉情况、完成时间步数4个指标进行数值模拟分析,得到科学实施部分切顶方案,使未切顶部分在矿山压力作用下完成垮落,就可以达到工程实践目的。基于上述研究在现场进行工业性试验,以顶板变形量和切顶侧支架工作阻力为指标对留巷进行现场监测分析,结果表明留巷效果良好。


部分图片


 1    工作面布置


 2    矿压显现部分实景

 3    切顶留巷力学模型


 4    不同基本顶厚度下拉应力与切顶高度和角度的关系


 5    不同切顶角度下未切顶岩层拉应力与切顶高度和基本顶厚度的关系


 6    数值模拟方案计算模型


 7    基本顶厚度分别为 10 m 和 15 m 时不同切顶高度的顶板断裂特征


 8    基本顶厚度分别为 10 和 15 m 时不同切顶

高度的巷道顶板位移


 9    试验方案

 10    顶板变形量监测


 11    切顶侧支架工作阻力监测

 12    切顶侧锚索受力监测








第一作者简介


许旭辉,男(1994-),山西中阳人,中共党员,中国矿业大学(北京)采矿工程专业博士研究生,主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作,参与企业横向课题研究3项,在煤炭学报Engineering Failure Analysis、岩石力学与工程学报、采矿与安全工程学报等学术刊物发表论文数10余篇,其中第一作者(通讯作者)SCI/EI期刊论文7篇,2021年获得国家公派联合培养资格,2022年获得研究生国家奖学金。


研究方向

矿山压力与岩层控制


主要成果

致力于煤矿巷道围岩变形及控制、切顶留巷技术方面的研究。基于厚层坚硬顶板切顶留巷力学模型研究了未切顶面拉应力与切顶高度、角度和顶板厚度的关系;揭示了矸石帮围岩-支护体相互作用机制;解算了切顶留巷顶板挠度方程,得到了顶板变形与影响因素之间的定量关系。






通讯作者简介


吕凯,男(1993-),山西大同人,中共党员,主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作,20236月毕业于中国矿业大学(北京),博士讲师,以第一(通讯)作者在煤炭学报、岩石力学与工程学报、煤炭科学技术等高水平期刊发表学术论文7篇,出版学术专著1


研究方向

矿山压力及控制;覆岩运移


主要成果

致力于复杂条件下综放工作面停采空间围岩控制理论与技术的研究,揭示了异形载荷-弹性基础基本顶板结构三维破断演化特征,并对破断结构进行了空间稳定性分析,阐明了直角梯形板块失稳灾变条件及其对主控因素的响应规律,所获成果弥补了传统均布载荷梁板模型的不足,提高了对复杂地质采场矿压规律的认识。


来源:

许旭辉,何富连,吕凯,等厚层坚硬顶板切顶留巷合理切顶参数[J]. 煤炭学报202348(8):3048−3059.


责编:王   凡
编辑:赵泽维
审核:张晓宁


  责任编辑:宫在芹
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