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创新点
切顶卸压无煤柱自成巷技术是一项先进的无煤柱采煤技术，该技术充分利用顶板岩体的碎胀特性，进一步取消了沿空留巷中的充填体，通过预裂切顶的方式实现自动成巷，目前已在我国进行了大量试验和推广。预裂切顶是无煤柱自成巷技术的核心，预裂切顶的效果直接关系到成巷的稳定性。该文系统研究了预裂切顶的作用机理，并对不同切顶条件下巷道围岩响应规律进行了深入研究，得到了切顶高度和切顶角度对留巷围岩变形、矿压分布的影响机制，研究成果对新工法的切顶参数设计有一定参考价值。
作 者
高玉兵1,2,杨 军1,2,王 琦1,3,王亚军4,何满潮1
作者单位
1. 中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室；2. 中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院；3. 山东大学 岩土与结构工程研究中心；4. 同济大学 土木工程学院
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研究背景
切顶卸压无煤柱自成巷技术是一项先进的无煤柱采煤技术,该技术充分利用顶板岩体的碎胀特性,进一步取消了沿空留巷中的充填体,通过预裂切顶的方式实现自动成巷,预裂切顶的同时,减弱了采空区顶板与巷道顶板间的结构传递,巷道应力环境得到一定改善。目前,切顶卸压无煤柱自成巷技术已于薄煤层、中厚煤层、厚煤层、坚硬顶板、复合夹煤顶板、高瓦斯、大埋深等不同地质和采矿条件下进行了试验和推广,取得了良好的经济和社会效益。
无煤柱自成巷技术的核心是顶板预裂切缝,预裂效果的好坏直接关系到巷旁矸石的垮落状态及卸压效果,因此对顶板预裂技术的研究至关重要。与无煤柱自成巷顶板预裂技术相似的是深孔爆破及水压致裂技术,这2项技术同样可起到卸压和控制地质灾害的目的。
总结相关研究成果可以发现,通过技术手段改变工作面或巷道围岩结构固有连接状态,是一种控制矿压或减少地质灾害的有效手段。以往的研究多是集中在深孔爆破或水力致裂技术的现场应用案例,而对切顶或致裂参数变化对围岩运动或矿压规律的影响研究较少。无煤柱自成巷顶板预裂技术与常规卸压技术不同的是,该技术实施位置为巷道顶板与采空区顶板的交界处,预裂爆破在促进采空区顶板垮落的同时要减少对巷道顶板的扰动,因此爆破控制更为精准和严格。然而,目前关于该技术的作用效果研究很少。笔者以柠条塔煤矿无煤柱自成巷试验工程为背景,综合运用理论分析、数值计算及现场试验等手段,对预裂成缝的机理及预裂切顶对巷道围岩矿压显现的影响规律进行了研究,研究成果对于完善无煤柱自成巷理论和技术体系有一定意义。
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摘 要
预裂切顶是无煤柱自成巷技术的核心,预裂切顶的效果直接关系到成巷的稳定性。以柠条塔煤矿无煤柱自成巷工程项目为背景,首先运用理论分析方法研究了预裂切顶的机理,进而运用离散元数值模拟方法和现场试验方法,对不同切顶条件下巷道围岩的响应规律进行了研究。
研究发现,非聚能爆破模式下裂隙向四周扩展,导致巷道顶板形成裂隙分支,破坏巷道顶板的完整性。聚能张拉爆破模式下,应力波在侵彻裂隙的导向作用下可实现定向成缝。为达到理想的切顶效果,装药量及孔间距需协调设计,以保证孔间裂隙贯通。切顶参数变化对巷道围岩的整体变形及矿压分布有重要影响。
在一定范围内,增大切顶高度可增大矸石碎胀体积,减小巷道顶板变形和作用在实体煤帮上的应力峰值,但切顶高度不宜过大,否则会增大施工难度,且会增大留巷变形。切顶角度对矿压显现亦有一定影响。当垂直巷道顶板切缝时,巷道围岩变形最大,但当切缝向采空区偏斜10°~20°,留巷围岩变形明显减小。柠条塔煤矿4.1m采高、砂岩为主顶板的条件下,爆破孔间距为600mm,单孔装药量为3200g时,切顶高度设计为9.0m,切顶角度为10°时,矸石垮落充分,成巷效果较好。
总结认为,切顶高度影响的是采空区矸石的碎胀体积及其对切顶短臂结构的作用力,切顶角度主要影响采空区顶板在垮落中对切顶短臂结构的动态下坠力及稳定后对切顶短臂结构的稳态支撑力,无煤柱自成巷预裂切顶的关键是保证采空区顶板和巷道顶板切得开,在切顶参数设计时应综合考虑预裂效果和切顶后碎胀矸石与切顶短臂结构的作用关系。
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文中图片
无煤柱自成巷试验工作面平面布置
2种爆破模式下顶板岩体裂隙发育趋势
数值计算模型
不同切顶高度围岩结构形态及变形特征
不同切顶高度实体煤帮应力分布
不同切顶角度围岩结构形态及变形特征
不同切顶角度实体煤帮应力分布
现场预裂切顶高度试验方案
现场预裂切顶角度试验方案
不同切顶高度典型测点全过程变形监测曲线
现场试验区不同切顶高度顶底板移近量统计
不同切顶角度典型测点全过程变形监测曲线
现场试验区不同切顶角度顶底板移近量统计
现场预裂切顶试验效果
作者简介
高玉兵，男，1989年10月出生，山东烟台人，博士，现任中国矿业大学（北京）师资博士后/讲师。
研究方向
切顶卸压无煤柱自成巷110/N00工法
主要成果
主持博士后面上基金项目1项、深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金项目1项，现场技术负责无煤柱开采110工法横向项目10余项。以第一作者(通讯作者)发表SCI/EI检索论文20余篇，1篇入选第四届中国科协优秀科技论文，1篇入选2018年度领跑者F5000-中国精品科技期刊顶尖学术论文。先后获得中国煤炭工业协会科学技术一等奖、陕西煤炭工业科技成果特等奖、中国岩石力学与工程学会科学技术二等奖各1项。参编专著/教材1部，参编标准1部，中国专利5项。担任《Journal of Petroleum Science and Engineering》、《Natural Resources Research》、《Journal of Geophysics and Engineering》、《Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects》等期刊审稿人。
来源：
高玉兵,杨军,王琦,等. 无煤柱自成巷预裂切顶机理及其对矿压显现的影响[J]. 煤炭学报,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.
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