切顶卸压沿空留巷预裂切缝技术指标研究汤建泉1,2,3，刘吉存1，宋文军1，王诗海4，李伟涛1（1.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛266590；2.山东科技大学采矿工程研究院，山东泰安271019；3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083；4.山东能源集团枣庄矿业集团高庄煤矿有限公司，山东济宁277600）摘要：主要以赵固一矿16011工作面为工程背景，对顶板预裂切缝高度、角度以及钻孔间距等主要指标进行研究。根据预裂切缝高度和角度，结合现场工程实际确定双向聚能爆破装置的间距为600mm。关键词：切顶卸压；沿空留巷；预裂缝设计中图分类号：TD322文献标志码：A文章编号：1008－8725（2017）06－0174－03TechnicalIndexesofPresplittingCracksandCuttingRooftoReliefPressureinGob-sideEntryRetainingTANGJian-quan1,2,3，LIUJi-cun1，SONGWen-jun1，WANGShi-hai4，LIWei-tao1(1.CollegeofMiningandSafetyEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.InstituteofMiningEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Taian271019,China;3.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China；4.GaozhuangCoalMineCo.,Ltd.,ZaozhuangMiningGroup,ShandongEnergyGroup,Jining277600,China)Abstract:The16011workingfaceofZhaoguNo.1mineistakenastheengineeringbackground.Themainindexessuchasheightandangleofthepre-slitoftheroof,andthedistancebetweentheholesareresearched.Accordingtopre-splittingcracksheightandangle,combinedwithon-siteengineeringpracticetodeterminethetwo-wayshapedblastingdevicespacingis600mm.Keywords:cuttingroofrelievingpressure;gob-sideentryretaining;pre-splittingcracksdesign1工程概况焦作煤业公司赵固一矿16011工作面位于二1煤层北翼采区，为采区首采面，煤层厚度5.5~6.1m，平均煤厚5.9m，倾角2°~3°，分层开采。上分层采高3.5m，面长210m，煤层埋藏深度560m，煤层赋存较为稳定。伪顶为均厚0.8m的泥岩，直接顶为均厚13.5m的砂质泥岩，老顶为均厚7.2m的中粒砂岩，直接底为均厚18.8m的粉砂岩、砂质泥岩，煤层及顶底板岩层柱状图如图1所示。图1煤层及顶底板岩层柱状图2切顶卸压沿空留巷主要指标分析确定2.1切顶卸压沿空留巷技术原理随着工作面不断向前推进，采空区侧直接顶会形成悬臂梁结构，受自重影响，应力不断增大，造成剪切破坏，出现断裂，此时基本顶也会逐渐下沉，巷道两帮承受基本顶及直接顶的重力，所受应力不断增加，此种情况顶板完整性较差，巷道围岩变形量较大，所需支护成本较高。经研究发现通过预裂爆破技术切落顶板，人为提高顶板完整性，可有效防止因巷道两帮所受应力不断增大带来的危险事故的发生。2.2主要指标分析确定根据工作面回采过程中上覆顶板运动规律研究显示，随着工作面不断向前推进，顶板悬露面积达到一定值后，会在采空区内率先发生断裂，初次来压及周期来压也随之产生。直接顶在沉降过程中最先是与采空区内的底板接触，直接顶靠近煤壁的端部不一定会发生剪切破坏。切顶卸压自动成巷的技术关键在于3个重要指标：预裂切顶高度、预裂切顶角度、预裂爆破钻孔间距。直接顶切顶是否完全，取决于预裂切顶的高度，切顶之后的顶板垮落是否彻底，与切顶面处的摩擦阻力大小有关，因此需要确定好预裂切顶的角度；为避免爆破过程中对预留岩体的整体性的破坏，还需优化预裂爆破钻孔的间距。3预裂切缝设计只有确定合理的预裂切缝高度、角度以及预裂爆破钻孔间距才能真正确保工程质量的可靠性，采用ANSYSWorkbench模拟预裂切缝的不同高度以doi:10.13301/j.cnki.ct.2017.06.065煤炭技术CoalTechnologyVol.36No.06Jun.2017第36卷第06期2017年06月顶、底板名称岩石名称层厚/m柱状老顶中粒砂岩直接顶伪顶煤层直接底砂质泥岩泥岩无烟煤粉砂岩、砂质泥岩7.213.50.85.918.8174中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

及不同角度的预裂切缝，通过工程实践确定合理的预裂爆破钻孔间距。数值计算模型高度46.2m，模型宽度210m，模型长度580m，模型尺寸与实际工程一致，模型网格按2mm×2mm进行划分，切缝附近网格刻意加密为1mm×1mm，施加176.4MPa载荷模仿上覆岩层自重。模型上表面为应力边界，对模型底部进行固定，限制模型水平方向移动。材料主要力学参数如表1所示。表1模型物理力学参数3.1预裂切顶高度设计根据预裂切缝临界公式，切缝高度Hf=(Hm-ΔH1-ΔH2)/(K-1)式中Hm———煤层厚度；ΔH1———顶板下沉量，m；ΔH2———底鼓量，m；K———碎胀系数，K=1.3~1.5。不考虑顶板下沉及底鼓，仅考虑采高，预裂切缝深度应当在7~12m，为减弱顶板来压影响，综上所述，将预裂切缝高度设置为7、9、12m，对于各高度切缝进行数值模拟计算，确定最为合理的切缝高度。利用ANSYSWorkbench数值模拟软件对各切顶高度进行模拟计算，设置切顶角度为0，即切顶线垂直顶板。计算结果如图2所示。(a)7m切顶高度应变局部放大效果图(b)9m切顶高度应变局部放大效果图(c)12m切顶高度应变局部放大效果图图2各切顶高度应变效果局部放大图根据计算结果可知，当切顶高度在7m时，虽然可以将直接顶、基本顶切落，但是无法切断巷道顶板与采空区侧顶板之间的应力传递，由此会带来沿空顺槽内围岩变形大的影响；当切顶高度在9m时，可以将直接顶、基本顶切落，同时可以保证留巷段内顺槽顶板变形量较小，所以设置9m切顶高度较为合适；当切顶高度在12m时，虽然直接顶、基本顶的切落效果最好，但是采用此高度时会造成沿空顺槽受到回转挤压的可能性比较大，此时沿空顺槽顶板变形量较大；由此可知采用9m切顶高度时能够保证直接顶、基本顶能完全切落，同时阻断沿空顺槽顶板与采空区侧顶板直接应力传递，并且还要使得沿空顺槽围岩变形量较小，故采用9m切顶高度进行切顶。3.2预裂切顶角度设计为阻断采空区侧顶板与沿空顺槽侧顶板之间应力传递，采用垂直顶板切顶无法达到该效果，由此设计切顶角度为10°和15°，各切顶角度效果局部放大图如图3所示。根据图3中各切顶角度计算结果可知，采用10°切顶时，虽然能够阻断采空区侧顶板与沿空顺槽顶板之间应力传递，但是应力集中区域距离沿空顺槽顶板较近，直接顶、基本顶的切落效果不佳，由此无法保证直接顶、基本顶的下沉效果是否能达到工程实际要求；采用15°切顶时能够保证沿空顺槽顶板变形较小，同时直接顶、基本顶变形较大，保证沿空顺槽不会受到采空区侧顶板挤压回转变形时的挤压，应力集中区域距离沿空顺槽顶板较远，能够阻断采空区侧顶板与沿空顺槽侧顶板之间的应力传递。综合上述分析考虑，采用10°切顶效果不佳，采用15°切顶效果较好。(a)切顶角度为10°时局部放大效果图(b)切顶角度为15°时局部放大效果图图3各切顶角度效果局部放大图3.3预裂爆破间距设计结合上述切顶高度与切顶角度设计结合现场工程实际，采用双向聚能爆破装置，设计间距600mm，密度/kg·m-325002550220022101560岩性中粒砂岩粉砂岩泥岩砂质泥岩16煤弹性模量/GPa88.566.40.27泊松比0.230.2250.190.20.2黏聚力/MPa5.663.43.51.2内摩擦角/（°）3634223425第36卷第06期Vol.36No.06切顶卸压沿空留巷预裂切缝技术指标研究———汤建泉，等5.505e-6Max4.8934e-64.2817e-63.67e-63.0584e-62.4467e-61.835e-61.2233e-66.1167e-70Min5.5006e-6Max4.8894e-64.2782e-63.6671e-63.0559e-62.4447e-61.8335e-61.2224e-66.1118e-70Min5.742e-6Max5.104e-64.466e-63.828e-63.19e-62.552e-61.914e-61.276e-66.38e-70Min7.7274e-6Max6.8688e-66.0102e-65.1516e-64.293e-63.4344e-62.5758e-61.7172e-68.586e-70Min5.5106e-6Max4.8983e-64.286e-63.6737e-63.0614e-62.4491e-61.8369e-61.2246e-66.1228e-70Min175中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

0引言导水裂隙带的发育高度是保证井下安全开采的重要参数，对井下安全生产具有较大的实际意义。为了解决传统经验公式在大采高开采条件下导水裂隙带高度预测中的不适应性问题，本文收集了大量导水裂隙带高度实测数据，结合BP神经网络建立导水裂隙带高度预测的网络模型。该模型仅以采高和上覆岩层岩性作为影响导水裂隙带高度发育的主要大采高开采条件下导水裂隙带发育高度预测研究陈元非1,2，査剑锋1,2，王磊3，徐孟强1,2，张正华1,2，李晋龙1,2（1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116；2.国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室，江苏徐州221116；3.安徽理工大学测绘学院，安徽淮南232001）摘要：为了提高大采高开采条件下导水裂隙带高度预测准确度，结合BP神经网络模型，通过进行导水裂隙带高度影响因素的主成分分析，建立了以采高和岩性为主要影响因素的BP网络导水裂隙带高度预测模型，并通过实例对模型效果进行了验证。关键词：大采高开采；导水裂隙带高度；BP神经网络中图分类号：TD823.83;TD745文献标志码：A文章编号：1008－8725（2017）06－0176－03PredictionofDevelopmentHeightofWaterFlowingFracturedZoneunderConditionofLargeMiningHeightCHENYuan-fei1,2,ZHAJian-feng1,2,WANGLei3,XUMeng-qiang1,2,ZHANGZheng-hua1,2,LIJin-long1,2(1.SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.NASGKeyLabforLandEnvironmentandDisasterMonitoring，Xuzhou221116,China;3.SchoolofGeodesyandGeomatics,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,China)Abstract:Inordertoimprovethepredictionaccuracyofthewaterflowingfracturedzoneundertheconditionoflargeminingheight,combinestheBPneuralnetworkmodel,byanalysisingtheprincipalcomponentoffactorsaffectingtheheightthewaterflowingfracturedzone,establishedtheBPnetworkfactorsofwaterflowingfracturedzoneheightpredictionmodelwiththeminingheightandlithologyasmainlyaffecting,andverifiedbyanexample.Keywords:largeminingheightmining;waterflowingfracturedzone;BPneuralnetworkdoi:10.13301/j.cnki.ct.2017.06.066煤炭技术CoalTechnologyVol.36No.06Jun.2017第36卷第06期2017年06月!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!沿工作面推进方向，依次采用聚能管装药的方式进行预裂爆破，形成切顶卸压预裂切缝线。4结语（1）对切顶高度、切顶角度进行设计，才能够保证直接顶、基本顶发生较好的变形阻断采空区侧顶板与沿空顺槽侧顶板直接应力传递，同时要对两者进行合理的优化才能够保证直接顶、基本顶在回转变形过程中不会对沿空顺槽顶板产生挤压，从而保证沿空顺槽围岩的稳定性。（2）针对此次工程实际情况，结合数值模拟发现，赵固一矿16011工作最合理的预裂切缝关键参数分别为切顶高度9m、切顶角度15°、钻孔间距600mm，保证工程项目的顺利进行，在实际工程当中取得良好效果。（3）厚煤层分层开采时使用切顶卸压沿空理论，能够保证良好的开采效果，同时留巷过程中发现，采用切顶卸压沿空留巷理论进行留巷可以保证巷道围岩变形量小，在实际工程中发现该项技术具有较好的应用前景。参考文献：［1］宋润权,谢家鹏.切顶卸压技术在工作面及沿空巷道维护中的应用［J］.煤炭科技,2012(3):52-54.［2］王巨光,王刚.切顶卸压沿空留巷技术探讨［J］.煤炭工程,2012,44(1):24-26.［3］王维维,李凤义,兰永伟.切顶卸压沿空留巷技术研究及应用［J］.黑龙江科技大学学报,2014,24(1):20-23.［4］刘衍利,黎卫兵,黄星源.切顶卸压爆破技术在沿空留巷中的应用［J］.煤矿安全,2014,45(6):132-135.［5］汤朝均,盛建发.切顶卸压护巷技术研究与应用［J］.煤炭技术,2015,34(8):78-81.［6］姜福兴,杨淑华,宋振骐,等.煤矿采场顶板来压自动预报的关键技术及其实现［J］.岩土工程学报,1997(6):22-26.［7］孙晓明,刘鑫,梁广峰,等.薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参数研究［J］.岩石力学与工程学报,2014,33(7):1449-1456.［8］何满潮,曹伍富,王树理.双向聚能拉伸爆破及其在硐室成型爆破中的应用［J］.安全与环境学报,2004(1):8-11.作者简介：汤建泉（1970-）,山东泰安人,高级工程师,硕士研究生导师，主要从事采矿工程及矿山压力与岩层控制方面研究；通信作者:刘吉存，电子信箱：602713460@qq.com.责任编辑：郑万才收稿日期：2016－11－12176中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net