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爆破切顶卸压合理参数模拟研究张秀忠（山西亚美大宁能源有限公司，山西晋城048000）摘要：为解决厚坚硬顶板难垮难落的问题，利用数值模拟软件对某矿井爆破切顶卸压情况进行分析，发现爆破后岩体内部可以分为压碎区、破裂区和震动区三个部分。对不同切顶参数下切顶效果进行模拟分析，确定最佳切顶角度为 15，最佳卸压高度为 8 m；同时对切顶前后护巷煤柱应力情况进行分析，发现切顶后煤柱应力峰值为13.60 MPa，未切顶的煤柱应力峰值为 37.48 MPa，切顶后巷道围岩稳定性得到了有效的控制，为坚硬顶板治理作出了贡献。关键词：数值模拟；切顶卸压；切顶参数；切顶高度中图分类号：TD323文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）09-0106-030引言煤炭资源作为我国重要的能源形式，在我国国民生产生活中占据着主导地位，随着多年来对煤炭资源的不断开采，目前我国煤炭开采的重点逐步向着覆存较为复杂的煤层转移。厚硬顶板是矿井开采中遇到的重要问题，由于厚坚硬顶板的存在使得在矿井开采中极易形成大面积的悬顶，悬顶的存在使得巷道的维护成本大幅度升高，同时悬顶面积过大会出现瞬时断裂的情况，悬顶一旦发生垮落则会造成严重的冲击载荷，严重威胁着矿井的正常开采。针对坚硬顶板问题，目前主要的解决方式为切顶卸压，通过对厚坚硬顶板进行预裂，使得覆岩整体性降低，达到随垮随落的目的。切顶又可分为水力切顶、静力切顶、爆破切顶1-2，在我国目前最为常见的切顶方式为爆破切顶，在爆破切顶应用过程中，不同切顶参数对切顶效果的影响也不同，合理的切顶参数对于切顶效果有着事半功倍的作用3-4，因此本文基于前人的研究，利用数值模拟软件对切顶参数进行模拟分析，旨在得出合理切顶参数，为矿井厚坚硬顶板的治理作出一定的贡献。1单孔爆破分析对单孔下的爆破效果进行分析，首先进行单孔模型的建立，模型由炸药、岩石、空气三部分构成，通过ALE 流固耦合算法进行三部分间的处理，模拟采用cm-g-s 单位制。模型尺寸为半径为 5 m 的圆形，炮孔直径为 75 mm，装药直径为 60 mm，不耦合装药，不耦合系数为 1.25，模拟结果如图 1 所示。从图 1 可以看出，爆破后岩体内部可以分为三个部分，分别为压碎区、破裂区和震动区，炸药开始起爆时会对压碎区内部的岩石进行破碎，此时压碎区半径为 1 m，冲击波继续扩展，破裂区半径为 3 m 左右，此时爆破能量会继续扩展但无法破碎岩石，所以形成了一定的震动区。对于爆破切顶来说，孔间裂隙能否贯通十分重要，所以合理的孔间距对于后续的裂缝贯通十分重要，所以应将合理的炮孔间距控制在 6 m 以内，以满足裂缝贯通要求。2爆破卸压参数研究建立切顶卸压模型，本次模拟主要针对不同切顶角度及高度参数方案，选用 3DEC 软件进行模拟，首先利用 CAD 绘制三维模型，再利用 3DEC 的外接模块进行导入，在 CAD 中绘制尺寸为长高宽为 120 m45 m30 m 的模型，利用 Griddle 对模型进行网格划分，网格划分不能太稀或者太密，合理的网格划分尺寸对于整体模拟效果影响较大，划分完成后输出为3DEC 支持的网格文件。设置煤层厚度为 4 m，顶板为8 m 厚的硬岩基本顶。顺槽尺寸为 5 m4 m，保护煤柱宽度为 20 m。固定模型左右 X 方向，前后 Y 方向及下部位移，在模型上部施加覆岩等效应力 7 MPa，采用摩尔-库伦屈服准则完成模型的建立。对不同切顶角度下的切顶效果进行分析，选定切顶角度分别为 0、15、30、45四种情况，不同切顶卸压角度下应力云图如 2 所示。从图 2 可以看出，切顶卸压后围岩的应力集中范围有了一定的变化，应力集中主要位于切顶卸压损伤区两侧和损伤区的延长线方向，采空区覆岩层载荷由基本顶向相邻巷道转移，此时巷道位置处于低应力区中。切顶角度从 45降低至 0时，应力集中区域远收稿日期：2022-10-20作者简介：张秀忠（1973），男，山西晋城人，毕业于东北大学采矿工程专业，中级工程师，主要从事通风、防突管理工作。总第 212 期2023 年第 9 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 212No.9，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.09.040图 1爆破效果示意图理论研究压碎区破裂区震动区2023 年第 9 期2-4切顶角度 45图 2不同切顶角度下应力（Pa）分布云图离巷道一侧，应力集中向着采空区靠拢。根据断裂力学理论可知，下部岩层破坏，上部岩层依旧完整，由于总载荷量不变，所以极易在卸压损伤区的尖端位置产生应力集中，顶板存在下一步垮落的趋势，大量载荷向损伤区转移，所以导致巷道远离载荷集中区，切顶有效。同时随着切顶角度的减小，巷道煤柱内垂直应力峰值逐步减小，但切顶角度过小会使得巷道顶板完整性存在一定破坏风险，威胁矿井正常生产。因此，经综合考虑确定最佳切顶角度为 15。对不同切顶高度下切顶效果进行分析，选定切顶高度分别为 4 m、8 m、12 m 三种情况，不同切顶卸压高度下应力云图如 3 所示。从图 3 可以看出，切顶卸压高度为 8 m、12 m 时，围岩整体应力分布情况类似，围岩在切顶卸压损伤区延长线及两侧形成一定的应力集中，此时应力集中有向上发育趋势，差异较小，同时软弱岩层应力情况也类似，软岩较厚岩来说自身承载能力较低，所以在承载上覆载荷后难以自稳，所以形成一定的应力集中。巷道围岩大多处于低应力范围内，而保护煤柱的应力升高区靠近采空区煤壁，影响较小。切顶高度为 4 m时，卸压区域两侧岩体相对滑动较小，大量载荷分布于损伤区两侧，同时远离工作面一侧的煤柱垂直应力较大，此时采空区上覆岩层的载荷转移并未切断，所以无法得到切顶卸压目的。综合成本等因素，确定最佳卸压高度值为 8 m。分别对切顶角度 15、高度 8 m 和未切顶情况下的保护煤柱应力分布情况进行对比，结果如图 4 所示。从图 4 可以看出，未切顶情况下的煤柱内部应力明显高于切顶后应力。经过爆破切顶后，煤柱内部应力整体呈中间高两侧低的趋势，在切顶角度 15、高度 8 m 条件下，煤柱应力峰值为 13.60 MPa，相邻工作面巷道处于低应力区域，稳定性较好；而未切顶卸压时，采空区上覆岩层载荷沿着坚硬顶板向邻近工作面转移，使得煤柱内应力呈上升态势，在靠近采空区位置应力达到最大，为 37.48 MPa，由此可以看出，经2-1 切顶角度 02-2切顶角度 152-3切顶角度 303-3切顶高度 12 m图 3不同切顶高度下应力（Pa）分布云图3-1切顶高度 4 m3-2切顶高度 8 m张秀忠：爆破切顶卸压合理参数模拟研究2.593 0E+050.000 0E+00-2.000 0E+06-4.000 0E+06-6.000 0E+06-8.000 0E+06-1.000 0E+07-1.200 0E+07-1.400 0E+07-1.600 0E+07-1.800 0E+07-2.000 0E+072.593 6E+050.000 0E+00-2.000 0E+06-4.000 0E+06-6.000 0E+06-8.000 0E+06-1.000 0E+07-1.200 0E+07-1.400 0E+07-1.600 0E+07-1.800 0E+07-2.000 0E+071.385 5E+050.000 0E+00-2.000 0E+06-4.000 0E+06-6.000 0E+06-8.000 0E+06-1.000 0E+07-1.200 0E+07-1.400 0E+07-1.600 0E+07-1.800 0E+07-2.000 0E+071.521 0E+050.000 0E+00-2.000 0E+06-4.000 0E+06-6.000 0E+06-8.000 0E+06-1.000 0E+07-1.200 0E+07-1.400 0E+07-1.600 0E+07-1.800 0E+07-2.000 0E+072.571 4E+050.000 0E+00-2.500 0E+06-5.000 0E+06-7.500 0E+06-1.000 0E+07-1.250 0E+07-1.500 0E+07-1.750 0E+07-2.000 0E+07-2.250 0E+07-2.500 0E+072.593 6E+050.000 0E+00-2.000 0E+06-4.000 0E+06-6.000 0E+06-8.000 0E+06-1.000 0E+07-1.200 0E+07-1.400 0E+07-1.600 0E+07-1.800 0E+07-2.000 0E+072.506 7E+050.000 0E+00-2.000 0E+06-4.000 0E+06-6.000 0E+06-8.000 0E+06-1.000 0E+07-1.200 0E+07-1.400 0E+07-1.600 0E+07-1.800 0E+07-2.000 0E+07107窑窑山西冶金E-mail:第 46 卷测技术的运用与思考J.山西冶金，2023，46（2）：182-184.2姚京书.轧钢机械设备运行监测与维护分析J.山西冶金，2022，45（9）：197-199.3刘宇.轧钢机械设备管理与维护的重要性J.冶金与材料，2022，14（1）：147-148.4赵新.轧钢机械设备故障诊断与安全运转的关系分析J.现代制造技术与装备，2020，56（11）：135-137.5叶晶晶.轧钢机械设备运行监测与维护分析J.中国金属通报，2020（3）：82-84.（编辑：武倩倩）Research on Online Fault Detection System for Steel Rolling Machinery EquipmentLang Fuxing（Tianjin Steel Pipe Manufacturing Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China）Abstract:In response to the many problems caused by mechanical equipment failures in the manufacturing industry,an online faultdetection system for steel rolling mechanical equipment has been designed.To quickly detect abnormal equipment states and fault behaviors,two online fault handling processes for steel rolling machinery equipment,data-driven and knowledge-based,are provided to more effectivelyand reliably handle equipment faults.The focus is on elaborating on these two online fault detection schemes for steel rolling machineryequipment,demonstrating their feasibility and practicality in practical applications.Key words:mechanical equipment;fault;online;data driven;knowledge base4-2切顶卸压前图 4切顶前后煤柱应力分布对比图过切顶后，巷道围岩得到了有效的控制。3结论1）爆破后岩体内部分为三部分，分别为压碎区、破裂区和震动区。2）切顶角度从 45降低至 0时，应力集中区域远离巷道一侧，应力集中向着采空区靠拢，最佳切顶角度为 15。3）对不同切顶高度下切顶效果进行分析，同时综合成本等因素，确定卸压高度合理值为 8 m。4）切顶后煤柱应力峰值为 13.60 MPa，未切顶的煤柱应力峰值为 37.48 MPa，切顶后巷道围岩得到了有效的控制。参考文献1王帅，赵国贞，刘超.坚硬顶板下近距离煤层群切顶卸压技术研究J.煤炭工程，2022，54（9）：75-80.2王瑶.基于坚硬顶板大采高工作面沿空留巷切顶卸压技术的应用分析J.能源技术与管理，2022，47（4）：62-64.3殷勇.10-110 采面切顶卸压留巷技术参数模拟分析与应用J.江西煤炭科技，2022（3）：98-100.4范江涛，李志强.沿空巷道坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术研究J.能源技术与管理，2022，47（4）：77-79.（编辑：武倩倩）4-1切顶卸压后Simulation Study on Reasonable Parameters of Blasting Top Cutting Pressure ReliefZhang Xiuzhong（Shanxi Yamei Daning Energy Co.,Ltd.,Jincheng Shanxi 048000,China）Abstract:In order to solve the problem that thick and hard roof slabs are difficult to collapse and fall,this paper uses numerical simulationsoftware to analyze the blasting top cutting and pressure relief,and finds that the rock body can be divided into three parts after blasting,namely crushing area,fracture area and vibration area.It simulates and analyzes the effect of roof cutting under different roof cuttingparameters,and determines that the optimal roof cutting angle is 15,and the reasonable value of relief height is 8 m.At the same time,itanalyzes the stress of the coal pillar before and after roof cutting,and finds that the peak stress of the coal pillar after roof cutting is13.60 MPa,and that of the coal pillar without roof cutting is 37.48 MPa.The stability of surrounding rock of the roadway after roof cuttinghas been effectively controlled,making contributions to the treatment of hard roof.Key words:numerical simulation;top cutting and pressure relief;top cutting parameters;top cutting height（上接第 87 页）4030201005101520距巷道水平距离/m4030201005101520距巷道水平距离/m108窑窑