厚砂岩顶板复合切顶卸压控制机理及其在采矿巷道中的应用研究

本文针对厚砂岩顶板条件下高应力巷道围岩控制难题，创新性提出基于矸石碎胀特性的复合切顶卸压技术。研究通过PFC2D数值模拟揭示了矸石粒径（10-90mm）与堆积形态对碎胀系数KP的影响规律，建立定向爆破（DRP）与非定向爆破协同作用的理论模型。结果表明：复合切顶技术通过双机制——定向切割关键层形成短悬臂梁结构（LB缩短40%）和非定向破碎增大碎胀系数（ΔB降低60.8%）——使采空区矸石充分充填，巷道侧向应力峰值从22.6MPa降至17.2MPa（降幅23.9%）。现场工程验证显示该方法使巷道顶底板收敛量减少66.3%，为硬厚顶板条件下巷道稳定性控制提供新思路。

　　

厚砂岩顶板条件下复合切顶卸压技术研究

引言

中国作为全球最大煤炭生产消费国，西部矿区厚煤层硬顶板条件普遍存在。厚层砂岩顶板（厚度>10m，单轴抗压强度>60MPa）在采动影响下形成大面积悬顶，导致巷道围岩承受极高支承压力（q_s>6MPa），引发顶板下沉（Δ_B达732mm）和帮部收缩等大变形问题。传统强化支护方法成本高昂且难以抵御顶板突然来压，亟需发展主动卸压技术。

矸石碎胀与承载行为研究

采用PFC2D离散元软件构建400mm×400mm约束腔体模型，模拟不同粒径（10-30mm、30-60mm、60-90mm）矸石的压缩过程。研究发现：

1. 1.

   碎胀尺寸效应：二次破碎后矸石占据高度从426mm增至435mm，证实减小粒径可提升碎胀系数K_P（式1）。

2. 2.

   堆积形态影响：有序排列时矸石高度410mm，重度无序时增至433mm（图3），无序度与K_P呈正相关。

3. 3.

   承载机制：10-30mm矸石在压缩过程中形成均匀力链网络（图4），其承载能力较60-90mm组提高35%。

复合切顶卸压方法设计

技术核心包含两个协同单元：

1. 1.

   定向切顶：采用双侧聚能装置（孔径90mm，倾角60°）在32m深孔内实施爆破，形成预设裂缝面（图7），将关键层长悬臂梁（L_C≈20m）分割为短梁结构。

2. 2.

   非定向破碎：在切顶区内布置33m深非定向爆破孔（倾角50°），使顶板岩石破碎为粒径<30mm的矸石，碎胀系数提升至1.45。

控制机理分析

建立"岩梁-矸石"耦合力学模型（图9-11），推导得出：

1. 1.

   定向切顶使采空区支承力F_C1提升40%，巷道煤体支承压力F₁降低12.4%（式9）。

2. 2.

   复合切顶进一步使F_C2达到F_C的1.8倍，应力峰值位置向煤体深部迁移至10m处（图14）。

工程验证

在曹家滩煤矿122108工作面实施200m试验段监测显示：

1. 1.

   复合切顶段顶底板收敛量287mm，较传统支护段降低60.8%（图18）。

2. 2.

   侧向应力监测显示峰值应力降至17.2MPa，与数值模拟结果误差<5%。

结论

该技术通过"定向控制破断位置+非定向优化碎胀特性"的双重机制，实现硬厚顶板条件下巷道围岩应力场的主动调控。现场数据验证其可降低维护成本42%，为深部高应力巷道控制提供创新解决方案。