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坚硬顶板深孔爆破卸压技术的研究

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机理 出发 ， 利用 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 有限元非线性动 力学软件 ， 对两种深孔 预爆破 方案和爆破 效果进行 爆破计 算分析 ， 分
析 了爆破应 力波传播规律 ， 并与优化方案参数进行对 比， 给 出了顶板深孔预爆破钻孔的三 角法布置方案。
关键词 ： 爆破 卸压 ；深孔爆破 ； 参数优化 ； 数值模拟 中图分类号 ： Ｔ Ｄ ３ ２ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ｔ ０ ０ １ — ４ ８ ７ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） ０ ４—ｓ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ．Ｔ ａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ６ ３ ０ ３ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｆ ａ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｊ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ａ ｌ ｍｉ ｎ ｅ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ： Ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｒ ｅ ｌ ｉ ｅ ｆ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ｄ ｅ ｅ ｐ ｈ ｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｔ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｃ ｏ ｍｐ ｒ ｅ ｈ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｚ ｅ ｄ ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｆ ａ ｃ ｅ ｃ ａ ｎ
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（ ａ 。 Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｉ ｎ ｕ ｉ ｎ ｇ Ｅ ｄ ｕ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ； ｂ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｉ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｌ ｉ ａ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ
Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｆ ｕ ｘ ｉ ｎ １ ２ ３ ０ ０ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
第３ ０卷
第 ４期
爆
破
Ｖｏ １ ． ３０ Ｎｏ． ４
２ ０ １ ３年 ｌ ２月
ＢＬＡＳＴＩ ＮＧ
Ｄ ｅ ｃ ． ２ ０ １ ３
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ４ ８ ７ Ｘ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ４ ． ０ １ ４
ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｏ ｆ ｄ ｉ ｓ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｂ ｙ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ｓ ｔ ｅ ｐ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｄ ｏ ｗｎ ａ ｎ ｄ ｗ ｅ ａ ｋ ｅ ｎ ａ ｌ ａ ｒ ｇ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ｃ ａ ｖ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ
灾 害。 工 作 面 回 采过 高 冲 击危 险 区 时 ， 采 用 深 孔爆 破 技 术 ， 提 前 释 放 坚硬 顶 板 内储 存 的 弹性 能 ， 可 以降 低 冲 击危险 ， 能有 效 地 避 免 冲 击 地 压 灾 害发 生。 以 济 三 煤 矿 ６ ３ ０ ３＿ Ｔ － － 作 面实际地质情 况为研 究背景 ， 从 岩石爆破
ｒ ｏ ｏ ｆ ．Ｗｈ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｏ ｒ ｋ ｆ ａ ｃ ｅ ｇ ｏ ｅ ｓ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｄ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ａ ｒ ｅ ａ ｏ ｆ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｅ ｐ — ｈ ｏ ｌ ｅ ｂ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｍａ ｙ ｒ ｅ ｌ ｅ ａ ｓ ｅ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｓ ｔ ｏ ｒ ｅ ｄ ｉ ｎ ｈ ｒｄ ａ ｒ ｏ ｏ ｆ ｅ ａ ｒ ｌ ｙ ．ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｓ ｋ ｏ ｆ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ａ ｎ ｄ ｅ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ａ ｖ ｏ ｉ ｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｏ ｆ
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Ｃ ＨＥＮ Ｘｕ ｅ — ｈ ｕ ａ ， ＸＵ Ｘｉ ａ ｎ ｇ ， ＬＩ Ｎｉ ｎ ｇ
坚硬 顶 板 深 孔爆 破 卸 压 技 术 的研 究
陈 学 华 ， 徐 翔 ， 李 宁
（ 辽宁工程技术大学 ａ ． 继续教育学 院； ｂ ． 矿业学 院 ， 阜新 １ ２ ３ ０ ０ ０ ）
摘 要： 综 采 工 作 面开 切 眼 深 孔 爆破 卸 压 可控 制 顶板 初 次垮 落 步距 过 大 、 减 弱 顶板 大 面 积垮 落 引起 的 顶板

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坚硬顶板处理方法探讨

坚硬顶板处理方法探讨

。
坚硬难垮落顶 板在 煤层采 出后 ，当悬露面积较大时 ，才 突然垮 落。２ Ｏ世纪８ Ｏ年代前 ，我国的大 同、北京 、乌鲁木齐、枣庄等矿 区大都采用刀柱采煤法 管理顶板 。每 回采一 定距 离后，在采空 区内 留设一定面积的煤柱支承 顶板 。这种方法可基本 保证工作面 回采期 间顶板 不垮落。但是 ，随着开采面积 的不断扩 大，所留煤柱应力逐 渐增大 ，终被压酥破坏 。当采 空面积达到一定 范围时，常常发生大 面积垮落 ，造 成剧烈的动力现象 。 同煤集团小峪煤矿 。山西 朔州 ０ ３ ６ ０ ０ ０）
【 摘
要 】坚硬顶板 难以 自 然垮 落，如 果不采取适 当措施促使
其垮 落 ，则其初 次垮 落步距会很 大 ，一旦垮 落，则 冒落面积很 大， 形 成 巨大 的 风 暴 ，对 工作 面威 胁 极 大 ， 因此 需要 采 取 适 当措 施 措 施 其垮 落。常见的处理方 法有超 前深孔预爆破松动煤体 或预 裂顶板 、 高压 预 注 水 弱化 顸 板 和 深 孔 爆 破 法 强 制 放 顶 。 【 关键词 】 坚硬 顶板显现特征 ；处理 方法
，
１ ． ２坚硬难垮落顶板工作面 的初 次来压特 征 工作面从切眼开始推进 回采 ，当悬露较大 面积 后才突然破断垮 落 ，工作面 出现强烈的来压显现 。坚硬难垮落项板 工作面初次来压 的另个特 点是 一次断裂、 垮落 的岩层 厚度大； 冒断厚度 可达１ ０ ￣２ ５ ｍ ， 甚至更大 。垮落岩石的块度大 ，有 的块度可达十几立 方米 ，甚至几 十立方米 。坚硬 难垮落顶板工作面初 次来压的第三个特 点是来压强 度 大 ，动 载 系数 高 ； 大 面 积 的 悬 顶 一 次 性 断 裂 垮 落 时 ，产 生 瞬 时 冲 击载荷 ，常损坏工作面 的支护设备 ，甚至造成人 员伤亡 等恶性事故。 １ ． ３坚硬难垮 落顶板 的周期来压特征 坚硬难垮 落顶 板工作面初次来压 后，随着工作面 的推进 ，支架 后方常形成较长 的顶板 悬臂，有 时可达２ ０ ￣３ ０ ｍ ，最大达到５ ５ ｍ 。由 于坚硬难垮落顶板 的岩石破断角较小 ，直接 顶垮落后形成 的矸石 垫 层 很 薄 ，有 时 甚 至 根 本 没 有 垫 层 ，致 使 未垮 落 悬 顶 与 垮 落 的矸 石 堆 没有任何力学联系 ，形成悬臂梁结构 。当悬臂达到一定极 限长度 时， （ ａ ） （ ｂ ） 才会断裂和垮落 ，使 工作面造成强烈 的周期 来压显现 。坚硬难垮落 图１工作 面内深孔放顶 顶板 工作面 的周期来 压特 点是 ：来压步距大 、动载系数高 ；来压 时 （ ２ ）平巷内钻平行于工作 面的深 孔 常对 支护设备造成动载破坏 ，甚 至危及 人身安全。 能减 少与生产作业的相互干扰 ，也可 利用 注水孔爆破，利用采 ２ 坚硬难垮顶板 的处理方法 空区顶板表 面作为 自由面 ，提高爆破效果 ，而 由于孔 比较深，应有 ２ ． １超前深孔预爆破松 动煤体 或预裂 顶板 相应 的钻孔设备 。在顶板为厚层砂岩时 ，可用Ｔ Ｘ Ｕ 一７ ５ 型油压钻 机或 其顶板或煤体是在采 煤工作面前方按相应 间距 向坚硬顶板或煤 回转钻机 ，钻孔 直径按钻机 能力和项 板岩性 在６ ０ ｍ ｍ ￣９ Ｏ ｍ ｍ 间选择， 体 内打 钻孔 实现预爆破松动 ，使坚硬岩层或煤体在某 区域 内破坏形 孔距可为 １ Ｏ ｍ ～１ ２ ｍ ，钻孔水平 的夹角６ 。～１ ２ 。，仰 角１ ４ 。～４ ５ 。。 成裂缝 ，实现 降低顶板 来压 强度的 目的 。 其钻孔 布置与注水孔类似 。 （ ３ ）地 面 钻 孔 爆 破 放 顶 爆后要 利用 孔 口不变形 的特 点，把静压水接ＮＳ Ｌ 口，减少粉尘 。超 在井 下无法进入 的大量坚硬岩层悬项或遗 留煤柱 区，距 地表很 前松动 方法 适应性强 ，使用 的专 用设备数量较少 ，对 于减缓大面积 浅 ，地面又有钻孔施 工条件 ，应采用由地面钻孔爆破放顶 。先在地 来压非 常有 效。其缺 点是大量 炸药爆炸污染井下空气 ；松 动爆破不 面用钻机 打出１ ０ ８ ｍ ｍ 的钻孔，为了提高爆破效果 ，通常要进行扩孔 易均匀 ，特别是松动顶板 ；在煤质松软和直接顶破碎 时不适合使用 ； 大药量爆破 。要采用封底爆破 或把药包按药壶位置 吊于钻孔 中，从 在高瓦斯矿井和煤层 中应用 ，要有绝对安全 的措施 。 下到上逐段实施爆破 。扩孔 后的钻孑 Ｌ 下部直径为３ ０ ０ ￣４ ０ ０ ｍ ｍ ，高度 ２ ． ２高压预注水弱化顶板 在２ ０ ｍ 。 运用钻 孔 向顶板注压力 水的办法 ，改变坚硬顶板 的力学性质， ３结束语 使它成为能垮 落的顶板 。压力水对 顶板岩石一般有压裂与 软化等作 由于煤矿与煤矿 的不同地质条件、顶板弱化方案也会不 同，应 用 ，水对顶板 的压裂作用主要包括 使岩 层增加裂隙 、裂缝 及使层理 按工作面顶板 的岩性 、经济成 本、方案安全性等确定顶板弱化 的方 分离 ，以减 少缝 隙间粘结力等 ，岩 石试 件浸水 的强度 降低 大小与试 法。超 前深孔松动爆破不影 响工作 面生产，且效果较 明显 ，应用 的 件是否有裂隙相关 。 较广些。 岩石均具 有吸水软化特性 ，实验表明，粘土胶结 的砂岩 较碳酸 参 考 文 献 ： 盐胶结 的砂岩 强度 降得多 ，平均 降低率 为４ ３ ％和ｌ ９ ％。节理裂 隙发 【 １ ］ 高木 福 ． 坚硬 顶板 处理 步距 的数 值模 拟 【 『 ］ ． 辽 宁 工程技 术 大学 学 育的岩石浸水软化效果 比较 明显。浸 水的时间愈长，强度也就 愈低 。 报． ２ ０ ０ ６ （ ５ ） ． 关于注水孔 的布置有 单侧 和双侧 ，根据 工作面长度和钻机 的能力确 ［ ２ 】 黄晋 兵 王台矿 井综采 工作面处理 坚硬 顶板技 术研 究 卟 煤炭科学 定 。孔距与浸润半径相 关，通 常，孔距应选择浸润直径 的３ ／ ４ ～２ ／ ３ 。 技 术， ２ ０ ０ ８ （ ９ ） ．
厚层坚硬顶板破断规律及深孔预裂爆破弱化技术的研究与应用

厚层坚硬顶板破断规律及深孔预裂爆破弱化技术的研究与应用

厚层坚硬顶板破断规律及深孔预裂爆破弱化技术的研究与应用为解决长壁综采工作面厚层坚硬顶板条件下采空区大面积悬顶问题,根据塬林煤矿东一采区101首采的综采工作面厚层坚硬顶板物理力学特征,对综采工作面厚层坚硬顶板破断规律及深孔预裂爆破弱化技术进行了研究。

采用弹性力学解析方法和数值模拟方法分析了综采工作面回采过程中厚层坚硬顶板初次来压步距、周期来压步距及顶板岩层塑性区、应力及煤体超前支承压力分布规律,提出了基本顶初次断裂前的弱化方案,计算出预裂弱化顶板合理步距。

基于质点峰值振动速度(PPV)理论,分析计算了超前深孔爆破岩石损伤范围,通过有限元分析软件ABAQUS对不同时刻、不同炮孔间(垂)距爆破作用下岩体应力变化情况进行分析比较,确定了合理的炮孔间(垂)距,提出了厚层坚硬顶板深孔预裂爆破弱化技术参数。

上述研究工作和成果如下:(1)101综采工作面厚层坚硬顶板初次来压步距范围为55~60m,周期来压步距范围为30~35m;基本顶初次断裂前采用端部拉槽弱化技术,基本顶周期预裂弱化爆破循环步距控制在30m。

(2)101综采工作面基本顶深孔爆破能够对11m范围内岩石造成不同程度的损伤,数值模拟计算确定了炮孔间(垂)距为2m。

(3)通过计算和工程类比,确定了爆破炮孔布置方式、直径、长度、垂深、封孔长度与一次最大起爆药量等技术参数。

在101综采工作面进行了厚层坚硬顶板深孔预裂爆破弱化工业试验,工作面矿压观测与分析结果表明:101综采工作面自弱化顶板回采以来,周期来压步距为10~22m,采空区顶板跟随支架冒落充分,工作面上部、中部和下部液压支架工作阻力基本处于正常工作范围,超前深孔预裂爆破顶板减小了采空区悬顶面积,厚层坚硬顶板得到了有效控制。

坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用

坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用

坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用摘要：我国国土辽阔，有着丰富的能源储量，但能源分布呈现的整体趋势为多煤贫油少气，其中化石能源（煤炭资源）在我国能源主体中占据极其重要的地位。

我国煤炭资源虽然储量丰富，但整体赋存条件复杂，约有四成的煤层存在坚硬顶板问题。

坚硬顶板是指巷道顶板由坚硬岩性岩层组成，在矿井正常开采过程中，由于坚硬顶板的存在，使得巷道变形严重，同时对留煤柱开采的矿山，由于坚硬顶板的存在，造成留设煤柱宽度大幅度增加，严重浪费煤炭资源。

目前我国最常用的治理方法为切顶卸压，切顶的方法可分为爆破切顶、聚能切顶和水力压裂切顶三种。

此前众多的学者对爆破切顶及聚能切顶作过研究，对水力压裂切顶方案研究较少，因此本文对水力压裂进行研究。

关键词：坚硬顶板；水力压裂；卸压技术；应用；引言随着矿井的开采年限不断增加，覆存较为简单的煤层逐步减小，煤矿资源开采的重点逐步向着覆存条件较为复杂的煤层转化。

坚硬顶板是矿井开采目前面临的重要难题，我国约一半左右的煤层存在坚硬顶板问题，由于顶板岩性较为坚硬，使得采空区顶板极难垮落，并形成大面积的悬顶，大面积的悬顶一旦发生垮落极易造成层工作面冲击地压，同时为了保证巷道的稳定性，在留煤柱开采的巷道，大面积的悬顶使得煤柱留设宽度大幅增加，造成严重的资源浪费，在无煤柱开采的矿井，大面积的悬顶同样需要投入较大的资金来维护巷道的稳定性，所以对坚硬顶板的治理成为了一个热门的课题。

1水力压裂切顶机理水力压裂切顶卸压是指通过布置钻孔垂深为煤层到老顶岩层的距离、一定间距的钻孔切槽，在采空区侧上覆岩层预制切缝，钻孔注入高压水，采取“定点分层压裂”工艺，受高压水作用产生裂隙并控制裂纹在岩层中的扩展方向，在顶板形成一个“准破裂面”，同时破坏上覆岩层岩石的强度和完整性。

工作面回采时，采场发生周期来压，采空区顶板发生垮落，上覆岩层沿着预制的“准破裂面”断裂，即上覆岩层沿着切缝方向切断垮落岩层与回采巷道上方顶板的连接关系，减小回采巷道上覆岩层在采空区形成的悬顶距，从而减轻回采时超前支承压力对回采巷道的影响，降低回采巷道维护难度。

坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用

坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究及应用

2951 引言坚硬顶板是矿井开采目前面临的重要难题，我国约一半左右的煤层存在坚硬顶板问题，由于顶板岩性较为坚硬，使得采空区顶板极难垮落，并形成大面积的悬顶，大面积的悬顶一旦发生垮落极易造成层工作面冲击地压，同时为了保证巷道的稳定性，在留煤柱开采的巷道，大面积的悬顶使得煤柱留设宽度大幅增加，造成严重的资源浪费，在无煤柱开采的矿井，大面积的悬顶同样需要投入较大的资金来维护巷道的稳定性[1]，所以对坚硬顶板的治理成为了一个热门的课题。

目前针对坚硬顶板的治理的方法主要为切顶卸压，通过对顶板进行预裂，达到正常垮落的目的。

本文利用数值模拟软件对坚硬顶板水力压裂技术进行研究，为矿井坚硬顶板的治理及矿井安全开采提供一定的保障。

2 数值模拟建立及机理分析在矿井开采过程中，随着开采面积的增大，使得采空区覆岩得自重逐步转移至围岩，此时采空区的周围相邻位置构成支撑压力区域，在回采应力作用下形成不同的应力区域，分别为原岩应力区、应力增高区及应力稳定区。

在超前支撑区域护巷煤柱载荷快速增长，此时巷道的变形量增大，巷道出现顶板下沉、底板底鼓及两帮片帮现象。

为了降低压力承载区域的应力，减少巷道出现的应力集中，采用水力压裂技术进行切顶卸压[2]。

水力压裂切顶卸压技术主要是在回采前对顶板进行机械钻孔，将钻好的孔进行密闭，利用高压射流水对钻孔进行注液，当钻孔内部压力大于钻孔起裂压力时，此时钻孔发生起裂，沿着钻孔会形成裂缝，随着注液时间的继续增大，此时裂缝随着水压的注入发生扩展，从而达到降低顶板完整性，达到随采随落，降低侧向支撑压力，提升巷道稳定性的目的。

为了更好的对水力压裂切顶卸压进行一定的研究，利用数值模拟软件对边界排水巷及水力压裂卸压的机理进行研究。

根据矿井地质条件建立模型，选定数值模拟软件FLAC3D，根据实际情况建立比例模型，模型的长宽高分别为800m、620m、1m，完成模型的建立后对模型进行网格划分，网格划分直接关系到模拟计算的时间与精度，本文采用interfacce单元进行建立，划分完成后共计960000个单元格，对岩层进行物理参数进行设定，本文根据实际情况设定煤层顶板岩层依次为中粒砂岩、细粒砂岩、泥岩、中粒砂岩、粉砂岩、泥岩。