大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系.pdf

大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系于斌1，邰阳1，匡铁军2，高瑞3，杨敬轩4，夏彬伟1，朱卫兵4，李勇1(1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆400044；2.晋能控股集团有限责任公司技术中心,山西大同037000；3.太原理工大学矿业工程学院,山西太原030002；4.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州221116)摘要：坚硬顶板特厚煤层开采采场空间大，矿压作用复杂，致使采场强矿压作用机理不清，并缺乏针对不同层位坚硬顶板的多点控制技术体系，必须在更大采场空间范围内研究坚硬顶板控制的新理论和新技术体系。笔者团队经过近 15a 的产学研攻关，形成了大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系：针对岩层控制研究涉及空间不足，提出了大空间采场概念；基于顶板破断特征及矿压作用规律，定义了远场和近场坚硬顶板；兼顾采空区矸石压缩及覆岩块体的协调运动，建立了大空间采场远场坚硬顶板破断结构力学模型，揭示了远场坚硬顶板破断失稳的强矿压控制机理；基于弹性薄板理论，构建不同切顶工艺、9 种组合边界条件下的近场坚硬顶板初次和周期破断力学模型，揭示了近场坚硬顶板定向造缝采场卸压机理；综合工作面参数、近场矿压作用等基础指标，以及临空开采、双系影响等强化条件，建立了强矿压分级预测评价体系，给出了4 个不同级别矿压显现程度的量化指标及对应的控制技术；研发了坚硬顶板地面水平井体积压裂技术、地面垂直井分级压裂技术，发明了远场坚硬顶板裂缝扩展监测技术，有效解决了远场坚硬顶板强矿压难题；首创了坚硬顶板复合爆破定向精准造缝技术，开发了坚硬顶板液体炸药深孔爆破技术，发明了坚硬顶板链臂锯连续精准切割技术，实现了对近场坚硬顶板垮落形态及破断特征的精准控制；提出了坚硬顶板地面压裂+X 的协同控制技术，实现了对远近场坚硬顶板的多点协同调控。基于以上研究成果，在塔山煤矿 8204 特厚煤层综放面开展了地面水平体积压裂+液体炸药深孔爆破协同控制现场试验，结果表明，在进入压裂爆破协同控制区域后，临空回采巷道顶底板及两帮移近量均小于 388mm；工作面中部支架最大阻力达到 13295kN，小于支架额定工作阻力15000kN，工作面及回采巷道强矿压得到了有效控制。关键词：大空间采场；坚硬顶板；远近场；控制理论；控制技术中图分类号：TD324文献标志码：A文章编号：02539993(2023)05187519Theory and technical system of control of far-near field hard roofs from ground andunderground in a large space stopeYUBin1,TAIYang1,KUANGTiejun2,GAORui3,YANGJingxuan4,XIABinwei1,ZHUWeibing4,LIYong1(1.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing400044,China;2.Research and DevelopmentCentre,Jinneng Group Co.,Ltd.,Datong037000,China;3.School of Mines,Taiyuan University of Technology,Taiyuan030002,China;4.School ofMines,China University of Mining and Technology,Xuzhou221116,China)收稿日期：20230221修回日期：20230411责任编辑：张晓宁DOI：10.13225/ki.jccs.2023.0221基金项目：国家自然科学基金资助项目(52204127)；重庆市科学家包干制资助项目(CSTC2022YCJH-BGZXM0005)；中国博士后基金面上资助项目(2021M700595)作者简介：于斌(1962)，男，黑龙江海伦人，教授。E-mail：通讯作者：邰阳(1990)，男，安徽滁州人，讲师，博士。E-mail：引用格式：于斌，邰阳，匡铁军，等.大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系J.煤炭学报，2023，48(5)：18751893.YUBin，TAIYang，KUANGTiejun，etal.Theoryandtechnicalsystemofcontroloffar-nearfieldhardroofsfrom ground and underground in a large space stopeJ.Journal of China Coal Society，2023，48(5)：18751893.第48卷第5期煤炭学报Vol.48No.52023年5月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYMay 2023Abstract:Thestopespace,aftermininganextra-thickcoalseamwithhardroofs,islarge,anditslawofminingpressureiscomplex.Themechanismofstrongminepressureactionforthisstopeisunclear,andthereisalackofmulti-pointcon-troltechnologysystemfordifferentlayersofhardroof,soitisnecessarytodevelopanewtheoryandnewtechnologysys-temforhardroofcontrolinalargerrangeofstopespace.Forthisreason,theauthorsteamhasdevelopedatheoryandtechnicalsystemforhardroofcontrolinthelargespacestopesafternearly15yearsindustry-universityjointresearch.Inviewoflimitedspacecoveredinthepaststudyofstratacontrol,aconceptoflargespacestopeisproposed.Basedontheroofbreakcharacteristicsandtheminingpressurelaws,thefar-fieldhardroofandnear-fieldhardroofaredefined.Con-sideringtheganguecompressioningoafandthecoordinatedmovementofoverlyingrockstrata,amechanicalmodelofthebreakstructuresforfar-filedhardroofsinthelargespacestopeisestablished,andthecontrolmechanismofthestrongminingpressure,duetobreakageandinstabilityofthehardroofinthefar-field,isrevealed.Basedontheelasticthinplatetheory,themechanicalmodelsoffirstandperiodicbreakageforthenear-fieldhardroofwithnineboundaryconditionsfordifferentroof-cuttingmethodsareconstructed,andthepressurereliefmechanismofdirectionalcuttingnear-fieldhardroofisrevealed.Combiningthebasicindexessuchasworkingfaceparameters,miningpressureeffectfromthenear-field,andthestrengtheningconditionssuchasmininggob-sideworkingfacesanddoublecoalseams,aclassificationpredictionandevaluationsystemofstrongminingpressureisestablished,andthequantitativeindexesandcorrespondingcontroltechno-logiesoffourdifferentlevelsofminingpressurearegiven.Ithasdevelopedthegroundvolumefracturingtechnologybyahorizontalwellonhardroof(GVFTHWHR)andthegroundstagedfracturingtechnologybyaverticalwellonhardroof,andthecrackexpansionmonitoringtechnologyforfar-fieldhardroofs,andeffectivelysolvedtheproblemofstrongmin-ingpressurefromthefar-fieldhardroof.Ithaspioneeredatechnologyofdirectionalandpreciseseammakingforhardroof by the composite blasting,developed a technology of deep-hole blasting for hard roofs with liquid explosives(TDHBHRLE),andatechnologyofcontinuousandprecisehardroofcuttingwithachainsawmachine,andrealizedtheprecisecontrolofthecollapseshapeandbreakingcharacteristicsofnear-fieldhardroofs.Atechnology,thecollaborativecontrolofhardroofwithgroundfracturing+X,isproposedtorealizeamulti-pointcollaborativecontrolofhardroofinthefarandnear-fields.Basedontheaboveresearchresults,afieldtestofthecollaborativecontrolwiththeGVFTHWHRandTDHBHRLEiscarriedoutforthehardroofatthe8204fullymechanizedcavingworkingface,anextra-thickcoalseamworkface,attheTashanCoalMine.Theresultsshowthatafterenteringthecollaborativecontrolareaoffracturingandblasting,thedisplacementoftheroofandfloor,andthetwosidewallsofthegob-sideroadwayarelessthan388mm.Themaximumresistanceofthesupportinthemiddleoftheworkingfacereaches13295kN,whichislessthan15000kN,aratedworkingresistanceofhydraulicsupports.Thestrongminingpressureintheworkingfaceandroadwayhasbeenef-fectivelycontrolled.Key words:largespacestope；hardroof；farandnearfield；controltheory；controltechnology2022 年习近平总书记在视察煤炭企业时充分肯定煤炭在保障国家能源安全中的“压舱石”地位，并指明了新时代煤炭工业高质量发展的前进方向1。特厚煤层单产大、效率高，是实现我国煤炭高质量发展的主体煤层2。坚硬顶板在山西、陕西、内蒙古等特厚煤层矿区普遍存在，已成为威胁煤矿安全高效开采的最主要“元凶”3。坚硬顶板特厚煤层开采的采场空间大，波及岩层广，矿压作用异常复杂，致使采场强矿压作用机理不清，并缺乏针对高中低位坚硬顶板的多点控制技术体系4，必须在更大空间范围内研究坚硬顶板控制的新理论和新技术体系。国内外学者在坚硬顶板的强矿压作用机理和控制理论及技术 2 个方面进行了大量研究。在坚硬顶板强矿压作用机理方面，孙闯等5通过相似模拟、数值计算等研究了 45m 急倾斜煤层综采工作面坚硬顶板塌落规律，得到了坚硬顶板沿走向具有明显突变塌落特征；杨俊哲等6研究了 37m 煤厚的综采面坚硬顶板破断特征，得出了低位关键层“悬臂梁”回转破断致使动静载叠加是诱发矿压动力灾害的主要原因；杨胜利7基于中厚板理论对孤岛工作面坚硬顶板在初次来压、周期性来压时的位移与应力分布特征进行了研究，揭示了坚硬顶板受力与破断规律，得出了坚硬顶板剪切破断位置与传统薄板理论求解出的结果不同；卜庆为等8建立了 16m 煤层综放工作面的1876煤炭学报2023年第48卷厚硬顶板采动承载力学模型，分析了厚硬顶板破断能量释放量与强矿压的关系，得出了覆岩载荷、厚度以及强度是采动承载能力和能量聚散演化的关键因素。在坚硬顶板控制理论及技术方面，李英杰等9推演了定向水力压裂力学模型的应力强度因子计算公式，给出了起裂角和临界水压的计算方法，阐明了坚硬顶板定向水压裂纹起裂机制，得出了预制裂纹倾角较小时，压裂以张拉为主，反之则以拉剪复合为主；王开等10建立了两端固支的岩梁力学模型与顶板周期破断悬臂梁力学模型，分析了不同爆破控顶方式的爆破工程量，得出了 2m 煤厚的综采工作面坚硬顶板周期断裂最合理的悬顶长度；杨俊哲等6分析了 37m 的综采工作面的坚硬顶板破断规律，提出了坚硬顶板分段水力压裂超前弱化技术并进行了有效的工业应用；蒋金泉等11针对汝箕沟煤矿 8m 煤厚的分层综采工作面的坚硬顶板，分析了其裂隙发育演化规律、破断动载特征，提出了深孔爆破和降低采高 2 种坚硬顶板控制方法；黄炳香等12长期致力于特厚煤层坚硬顶板控制技术研究，提出了水力压裂控制理论与成套技术框架。此外，笔者团队长期致力于 1422m 特厚煤层综放工作面的坚硬顶板控制研究：于斌等13针对 14m综放工作面建立了远场高位坚硬顶板“横 O-X”破断的三角板失稳力学模型，给出了三角板滑落摩擦失稳和回转挤压失稳的判断准则，得出三角板的走向长度和回转程度是造成“横 O-X”破断结构失稳的主控因素；于斌等14运用相似模拟、理论计算和现场实测等手段，分析了 1420m 特厚煤层开采高中低位关键层结构演化规律，得出中低位关键层为“竖 O-X”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构，高位关键层为“横 O-X”破断的“砌体梁”结构；于斌等15-16基于大同 1422m 特厚煤层双系开采背景，建立了大空间双系开采顶板破断力学模型，得出了“低位组合悬梁+中位砌体梁+高位大结构”的顶板破断演化规律，提出了近场井下承压爆破破断技术；于斌等17-18运用理论分析和现场实测，得出下部石炭系综放工作面临空巷道主要受工作面超前支承压力和邻近工作面采空区悬顶的叠加作用，发生煤柱片帮、顶板下沉、锚杆锚索破断等强矿压现象，并开发了定向水压致裂控制技术；于斌等4针对远场高位坚硬顶板强矿压难题，提出了煤矿坚硬顶板强矿压地面压裂控制方法，揭示了水压裂缝扩展形态及演化准则，研发了地面压裂裂缝井上下一体化联合微震监测技术。针对特厚煤层开采中坚硬顶板控制难题，笔者团队经过近 15a 的产学研攻关，形成了系统性的大空间采场坚硬顶板控制理论及技术体系：提出了大空间采场概念，定义了远场和近场坚硬顶板；建立了大空间采场远场坚硬顶板破断结构力学模型，揭示了远场坚硬顶板破断失稳的强矿压控制机理；构建了不同切顶工艺、9 种组合边界条件下近场坚硬顶板初次和周期破断力学模型，揭示了近场坚硬顶板定向造缝采场卸压机理；建立了强矿压分级预测评价体系，给出了 4个不同级别矿压显现程度的量化指标及对应的控制技术；研发了坚硬顶板地面水平井体积压裂技术、地面垂直井分级压裂技术，发明了远场坚硬顶板裂缝扩展监测技术；首创了坚硬顶板复合爆破定向精准造缝技术，开发了坚硬顶板液体炸药深孔爆破技术，发明了坚硬顶板链臂锯连续精准切割技术；开发了坚硬顶板地面压裂+X 的协同控制技术。基于以上研究，构建了大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系，并在塔山煤矿进行了工业试验。1大空间采场的由来与远近场坚硬顶板定义1.1大空间采场的由来建国以来，煤矿开采工艺从爆破采煤和普通机械化采煤逐步发展为综合机械化采煤19；伴随着大采高液压支架、双滚筒采煤机等国产新装备的研发，大采高综合机械化采煤工艺也走向成熟，使得煤层开采厚度从原先的 24m 逐渐增加至 8.8m8,20。为了实现对 8m 以上的特厚煤层开采，以王家臣、宋选民、刘长友等为代表的学者经过 30a 的深入研究先后研发了高位放顶煤、中位放顶煤和低位放顶煤技术，并最终形成了具有中国特色的高效低成本低位放顶煤开采技术1。随着开采空间的增加，原有的综采工作面矿压理论难以解释特厚煤层开采高位关键层破断诱发的强矿压现象21。针对原有岩层控制研究涉及空间不足和缺乏大空间原位实测技术的问题，笔者团队研发了一种煤矿开采岩层运动大空间原位监测技术13，如图 1 所示。由图 1 可知，煤矿开采岩层运动大空间原位监测技术主要包括：大空间岩移监测技术、采空区应力监测技术、钻孔电视技术和孔间 CT 成像技术。(1)大空间岩移监测技术。采用大量程拉线结构装置，将岩层移动测点量程由 3m 升至 20m；观测计数模块采用高精度绝对值磁电编码器替代传统光电光栅式编码器，克服了抗震性和温度适应性差、精度低、断电数据重置归零等不足；基于 GPRS 信号的网络通信，通过无线数据传输模块，实现了岩移数据无线远程和实时在线的稳定传输。(2)采空区应力监测技术。采用了大量程(60MPa)、第5期于斌等：大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系1877长距离(2000m)、高精度(误差 0.05MPa)和无线数据采集传输的采空区应力监测系统，实现了采空区应力数据高精度长距离的稳定传输，并利用采空区应力演化反演过程，分析顶板岩层破断运动规律。(3)钻孔电视技术。基于钻孔电视技术监测采动过程中覆岩的裂缝发育规律和垮落特征。(4)孔间 CT 成像技术。基于同源跨孔复合 CT成像技术，建立同源跨孔 CT 数据耦合分析方法，实现了完整记录采动过程中工作面覆岩裂隙空间产状及演化全过程。在对覆岩运移、覆岩裂隙和采空区应力监测的基础上，融入支架压力、地表沉陷，从而形成下自井下矿压，中至覆岩运移，上到地表沉陷的“三位一体”原位监测方法。前期笔者团队通过运用这套方法在塔山、同忻等煤矿进行了大量实测研究发现：采空区覆岩的垮裂带高度是开采高度的 1318 倍，远超基本顶的范围。基本顶一般距离煤层在 1030m，其形成悬臂梁结构，周期破断步距在 1525m，在其破断前后的载荷可以由支架承担，来压不强烈。距离100130m煤层的高位坚硬顶板周期破断步距在130180m，来压最为强烈，在其破断前后工作面超前 150m 内巷道变形严重、大量单体支柱折损，且工作面液压支架来压持续 2443h、动载系数达 1.54。在基本顶和高位坚硬顶板之间的中位坚硬顶由悬臂梁向砌体梁转变，破断后联动低位岩层失稳，造成矿压逐渐强烈。根据以上规律，造成 1422m 特厚煤层综采工作面强矿压的岩层不仅包括基本顶，还包括中位坚硬顶板、高位坚硬顶板，因此必须突破基本顶范围，将更高层位的中位和高位坚硬顶板纳入研究对象。随着研究对象的扩大，大空间采场孕育而生，其是煤层开采厚度增加的必然结果，也是高产高效采煤趋势催成的产物。1.2远近场坚硬顶板定义大空间采场在更大空间范围内研究采场矿压，其采空区坚硬顶板破断形态与层位相关。根据弹性薄板理论，薄板在发生“O-X”断裂时其断裂线的长轴平行于矩形板的长边，在工作采空区一定范围悬露的坚硬顶板的倾向长度大于走向长度，因此其断裂长轴平行于倾向，发生竖“O-X”断裂22；伴随着坚硬顶板层位增高，受到垮落角的影响坚硬顶板倾向悬露的尺寸减小，而走向悬露的尺寸增加，可能出现倾向长度小于走向长度，发生横“O-X”断裂14。综上所述，大空间采场的采空区上覆坚硬顶板自下而上可能由竖“O-X”断裂向横“O-X”断裂转变，如图 2 所示。高位坚硬顶板的横“O-X”断裂在空间上横跨多个低位岩层的竖“O-X”断裂，其“三角板”结构失稳将联动低位多个竖“O-X”的铰接板失稳，诱发采场发生强烈矿压，甚至出现动载冲击矿压13。因此，笔者团队将发生竖“O-X”断裂的坚硬顶板定义为近场坚硬顶板，而将发生横“O-X”断裂的坚硬顶板定义为远场坚硬顶板。远场坚硬顶板近场坚硬顶板工作面推进方向图2大空间采场坚硬顶板破断形态Fig.2Breakingformofhardroofsinlargespacestope如图 3 所示，大空间采场出现横竖“O-X”断裂转变的条件在于采空区悬露的坚硬顶板出现“见方”情采空区应力测量计地表沉陷表土层侏罗系采空区主关键层亚关键层亚关键层石炭系煤层底板岩移孔电视孔CT孔图1煤矿开采岩层运动大空间原位监测技术Fig.1Large-spacein-situmonitoringtechnologyofstratamovementincoalminingprocess1878煤炭学报2023年第48卷况。在假设开采范围内的走向和倾向覆岩的岩性变化不大，可以认为采空区覆岩的走向和倾向 2 个方向的断裂角、基本一致，即=。伴随工作面的推进，覆岩走向长度尺寸逐步增大，采空区垮落带高度向上延展，顶板将可能出现断裂转向的临界层。lj顶板“见方”工作面推进方向LzhbL图3坚硬顶板横竖“O-X”断裂转向极限条件Fig.3Verticalandhorizontal“O-X”fracturesteeringlimitconditionsofhardroofs根据顶板断裂形态的尺寸效应，在煤层推进长度Lz小于工作面倾向长度 L 条件下，工作面顶板发生竖向“O-X”断裂；当工作面推进长度等于工作面倾向长度，即达到所谓的工作面“见方”，工作面顶板断裂出现横竖转向临界层，据此坚硬顶板横竖“O-X”断裂转向的临界层高度23为hb=Llj2tan(1)式中，hb为坚硬顶板横竖“O-X”断裂转向的临界层高度；lj为坚硬顶板横竖“O-X”断裂转向临界尺寸。2大空间采场远近场坚硬顶板强矿压井上下控制理论体系在定义大空间采场远场与近场坚硬顶板的基础上，建立大空间采场远场坚硬顶板破断结构力学模型，揭示远场坚硬顶板破断结构失稳的强矿压控制机理；构建近场坚硬顶板造缝切顶后的初次和周期破断力学模型，揭示近场坚硬顶板定向造缝采场卸压机理；建立强矿压分级预测评价体系，给出矿压显现程度的量化指标及对应的控制技术。2.1远场坚硬顶板井上地面压裂控制机理如图 4(a)所示，大空间采场坚硬顶板会发生横竖“O-X”断裂特征转变的情况，据此将采空区上覆破断的坚硬顶板划分为远场和近场 2 个区域，并沿工作面倾向做剖面，采用二维梁结构构建采场力学模型。根据近场坚硬顶板破断后的排列特征，进一步将其划分为不规则垮落带和规则垮落带，采空区不规则垮落带矸石对规则带的支撑力为 q2。突破基本顶范围、兼顾坚硬顶板破断块体的协调运动，建立基于能量变分原理的大空间采场远场坚硬顶板破断结构力学模型，如图 4(b)所示，图中 l2和 l3为近场坚硬顶板的破断尺寸，q0为上覆岩层作用载荷。在破断顶板的岩性相近容重相差不大的条件下，取顶板平均容重为。假定采空区矸石承载服从线性规律，给出远场结构失稳时支架和煤体受力表达式 qm23为qm=(Hd+3Hz+Hg)2klz/3(2)HdHzHg=l1/lz式中，为侧压系数；为不规则垮落带高度；为坚硬顶板竖向断裂区中规则垮落带厚度；为坚硬顶板横向断裂区厚度；k 为矸石支撑系数；为沿工作面推进方向的坚硬顶板横竖破断块体长度比值，即，l1为远场坚硬顶板的断裂尺寸，lz为近场坚硬顶板的破断尺寸。横“O-X”断裂竖“O-X”断裂剖面q0qmq2l1l2l3(a)坚硬顶板横竖“O-X”断裂特征(b)远场坚硬顶板破断结构力学模型图4远场坚硬顶板控制力学模型Fig.4Mechanicalmodelofcontroloffar-fieldhardroofs为了进一步给出液压支架所受载荷，构建工作面采场结构力学模型，如图 5 所示，图中，lt为煤壁弹性承载区长度；l 为液压支架控顶长度；qt为煤壁弹性承载区作用载荷；qs为煤壁塑性承载区作用载荷。工作面采场围岩包括直接顶、底板和前方实体煤，而工作第5期于斌等：大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系1879面支护体为液压支架。将受力后的实体煤化分为弹性承载区和塑性承载区，进而给出了液压支架受力 F的计算公式23为F=4EsL1f(ls)Asin(lz2L)(3)f(x)=h2(x)1(x)(x)=Ah1cos(x2L)lsEsA=32qmEI(12)(L1)4式中，h 为煤层厚度；L1为直接顶悬顶长度；为塑性区宽度；为塑性区等效弹性模量；A 为直接顶的挠度变形参数，E 为直接顶的弹性模量，I为直接顶截面惯性矩。hltlsl煤层顶煤直接顶hltlsl顶煤直接顶qtqsFqm(a)工作面采场结构(b)采场结构力学模型图5给定载荷作用下的工作面力学模型Fig.5Mechanicalmodelofworkfaceunderagivenloadcondition以塔山煤矿 8204 工作面为工程背景，给出坚硬顶板破断尺寸与液压支架之间所需支护阻力关系，如图 6 所示，图 6 中纵坐标直接反映大空间采场近场顶板竖向断裂尺寸，远场坚硬顶板横向断裂尺寸可通过顶板横竖断裂长度比值 来反映，其对采场液压支架受力的影响：在近场坚硬顶板竖向断裂尺寸不变的情况下，随着远场坚硬顶板横向断裂长度的增加(变大)，液压支架受力显著增大。综上，控制远场坚硬顶板破断尺寸能够有效控制远场坚硬顶板造成的工作面强矿压。2.2近场坚硬顶板井下定向切顶卸压机理定向造缝切顶改变了坚硬顶板的边界条件，从而影响了坚硬顶板破断特征，控制了采场强矿压。坚硬顶板在上下岩层夹持状态下可等效为固定约束24-25，而切顶侧的边界条件与切顶工艺、开采条件(如煤层开采厚度、工作面宽度、坚硬顶板物理力学性质等)等因素相关。切顶侧可能为自由约束、简支约束或其他约束。当切顶侧的缝隙较小且岩层间的摩擦力较大时，在破断过程中切顶侧的坚硬顶板未滑落，则可假设切顶侧为简支约束26；当切顶侧的缝隙较大或岩层间摩擦力较小时，在破断过程中切顶侧坚硬顶板滑落，则可假设切顶侧为自由27。本文中坚硬顶板复合爆破定向精准造缝技术和液体炸药深孔爆破技术产生的裂宽度为 0.51.0mm，可假设切顶侧为简支约束；坚硬顶板链臂锯连续精准切割技术生成的裂缝宽度为 43mm，可假设切顶侧为自由约束，据此建立超前切顶后近场坚硬顶板在初次和周期破断的 9 种边界条件的力学模型，如图 7 所示，图 7 中 a 和 b 分别为板的长边和短边的长度，q 为板受到的上覆岩层作用的均布载荷。坚硬顶板指强度高、完整性好的上覆岩层，一般为砂岩、页岩等，这种类型的顶板在发生拉伸、剪切或者压缩破坏前，其应力应变关系一般表现为线性关系28。此外，坚硬顶板是典型的脆性岩石，其抗拉强度远小于抗压和抗剪强度，因此常发生拉破坏。文献 29 中将坚硬顶板破断准则假设为拉破坏，并沿着最大拉应力值扩展，通过坚硬顶板的应力分布特征及失效准则，可预判其破断特征。基于以上研究思路，510152025303591215182124坚硬顶竖向破断长度/m液压支架受力/MN=1=2=3图6坚硬顶板破断尺寸对液压支架受力的影响Fig.6Effectofbreakingsizeofhardroofsonahydraulicsupportresistance1880煤炭学报2023年第48卷采用弹性薄板小挠度理论得出了 9 种边界条件下近场坚硬顶板的初次和周期破断特征，如图 8 所示，由图 8 可知：(1)近场坚硬顶板强矿压机理。坚硬顶板发生竖“O+X”型初次破断和横“U+Y”型周期破断形成多个三角形和梯形的铰接板，各铰接板以采空区边界的断裂线为回转轴，回转挤压造成工作面和采空区煤柱出现强矿压现象，例如图 8 中基本顶铰接板 A1回转造成工作面强矿压，而铰接板 B1和 D1回转挤压造成两侧煤柱强矿压。三边固支一边简支四边固支不切顶初次垮落周期垮落一侧切顶两侧切顶邻边固支一边简支一边自由邻边固支邻边自由对边简支一边固支一边自由一边固支三边自由对边固支对边简支对边固支对边自由三边固支一边自由三边固支一边自由xyOa/2a/2bqxyOabqyxOaqb/2b/2yxOaqbxya/2a/2bqOxya/2a/2bqOyxOaqbyxOaqbyObqxayxOaqb图7近场坚硬顶板初次及周期破断力学模型Fig.7Mechanicalmodelsofinitialandperiodicbreakofhardroofsinnearfield切顶侧切顶侧简支自由切顶侧切顶侧切顶侧切顶侧切顶侧切顶侧切顶侧切顶侧切顶侧初次破断一侧切顶两侧切顶周期破断一侧切顶两侧切顶切顶侧A1C1B1D1A1C1B1D1A2D2C2A3C3E2G2E3F1E1G1F1E1G1固支图8边界条件对坚硬顶板破断特征的影响3Fig.8Effectofboundaryconditionsonbreakingcharacteristicsofhardroofs3第5期于斌等：大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系1881(2)边界条件对近场坚硬顶板破断特征影响。当边界条件由固支简支自由时，切顶侧铰接板面积逐渐减小，直到边界条件为自由时减小为 0。基于以上得出，当不切顶时近场坚硬顶板在采空区侧形成三角形或者梯形铰接板；当裂缝宽度小、缝间摩擦力大时切顶侧偏向铰接，切顶侧铰接板面积减小；当裂缝宽度大、缝间摩擦力小时切顶侧偏向自由，切顶侧不存在铰接板。因此，定向连续的人工裂缝能有效减小甚至消除挤压煤柱的三角形或者梯形铰接板，从而最大程度的降低采空区煤柱压力。(3)近场坚硬顶板临空巷道定向切顶卸压机理还与造缝的时机相关，一般存在 2 种情况：当上个工作面回采完成后，在下个工作面的临空巷道内滞后造缝切顶；在上个工作面回采前，在上个工作面回采巷道内或下个工作面的临空巷道内提前造缝切顶。情况的卸压机理：近场坚硬顶板发生竖“O+X”型和横“U+Y”型等破断形式，形成三角形和梯形铰接板，在铰接板内制造人工裂隙使其滑落到采空区内。情况的卸压机理：一侧切顶将近场坚硬顶板初次破断的竖“O+X”型等破断形式变为竖“U+X”或竖“U+Y”型等破断形式，周期破断的横“U+Y”型等破断形式变为“L+Y”或“刀字”型等破断形式，而两侧切顶则将初次破断变为“对梯”或“三字”型破断，周期破断变为“梯形”或“一字”型破断，减小甚至消除采空区侧三角形和梯形铰接板，从而减少甚至避免其对采空区侧煤柱的回转挤压。2.3远近场坚硬顶板强矿压井上下控制准则大空间采场的矿压显现强度不仅与远近场坚硬顶板破断失稳相关，还受到临空开采、双系开采等因素影响，需要综合考虑基础指标、核心因素和强化条件。为了实现控制范围、控制效果以及控制成本的最优化，以远场坚硬顶板失稳条件为核心，采用拟静力刚度准则，根据结构切线刚度矩阵的正定性来判别结构的稳定性：0，结构稳定；0，结构失稳。综合工作面参数、近场矿压作用等基础指标，以及临空开采、双系影响等强化条件，建立了大空间采场强矿压分级预测评价体系，如图 9 所示，给出 4 个不同级别矿压显现程度的量化指标的计算公式3(式(4)，进而给出大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制准则。Wp=3i=1piApi(4)式中，Wp为矿压显现强度评定强度指数；pi为不同类型因素对矿压显现强度影响的权重；Api为强度等级评定指标。基础指标核心因素强化条件工作面条件近场矿压作用远场高位结构临空开采条件双系赋存影响预测指标采厚预测分级刚度煤柱宽度矿压显现一般矿压显现较强矿压显现强烈矿压显现极强烈00.25)0.250.50)0.500.75)0.751.00防治技术近场/远场坚硬岩层弱化远近场协同控制常规支护加强支护采空区结构间距稳定时间工作面长 来压步距工作阻力 位置失稳图9大空间采场矿压分级预测模型3Fig.9Predictionmodelofminingpressureclassificationinthelargespacestope3在图 9 中，当矿压显现强度评定强度指数分别为0，0.25)、0.25，0.50)、0.50，0.75)和 0.75，1.00 时，对于大空间采场矿压显现的一般、较强、强烈和极强烈，相应的控制手段分别为常规支护、加强支护、远场或近场坚硬顶板弱化和远近场协同控制。据此，当矿压显现强度评定强度指数为 0.50，0.75)时，仅采用近场坚硬顶板复合爆破定向精准造缝技术、液体炸药深孔爆破技术、链臂锯连续精准切割技术中的 1 种即可或仅采用远场坚硬顶板地面水平井体积压裂技术、地面垂直井分级压裂技术中的 1 种即可；当矿压显现强1882煤炭学报2023年第48卷度评定强度指数为 0.75，1.00 时，必须采用基于地面压裂+X 的远近场坚硬顶板协同控制技术。3大空间采场远近场坚硬顶板强矿压井上下控制技术体系远近场坚硬顶板其破断特征及层位不同，矿压显现的强度和范围也不同，需开发不同的控制技术。针对远场坚硬顶板，开发了地面水平井体积压裂技术、地面垂直井分级压裂技术；针对近场坚硬顶板，研发了复合爆破定向精准造缝技术、液体炸药深孔爆破技术和链臂锯连续精准切割技术；针对远近场坚硬顶板，提出了地面压裂+X 的协同控制技术。3.1远场坚硬顶板井上压裂控制及监测技术3.1.1坚硬顶板地面水平井体积压裂技术坚硬顶板的致裂层位一般在距离煤层 70m 以内，难以破坏 100m 以上的远场坚硬顶板。远场坚硬顶板带来的强矿压问题如何破解，一直是困扰国内外采矿领域的难题。为了解决这个难题，笔者团队分析了水力压裂裂缝间扩展干扰规律、复杂应力场下裂缝扩展规律，优化了压裂工艺参数及流程，形成了煤矿地面压裂远场坚硬岩层成套技术。煤矿地面水平井体积压裂技术的工艺复杂，需要多种设备协同作业共同完成钻孔、聚能射流、压裂等过程，其主要设备包括钻井平台、高能射孔枪、压裂车、水箱等，如图 10 所示。钻井平台压裂车水箱钻井平台高能射孔枪图10地面水平井体积压裂设备Fig.10Equipmentofgroundvolumefracturingbyahorizontalwell钻井平台是由管架组成的一种桁架结构，其主要作用是为钻杆提供操作空间，保证钻杆的稳定性，从而使得钻井能够按照设计的空间位置布置。高能射孔枪通过聚能射流在岩层中形成定向孔道，从而降低压裂的起裂压力。采用电缆或油管作为传输工具将装有推进剂的高能射孔器输入到目的层，利用聚能射孔弹起爆与推进剂燃烧之间的时间差，先后完成射孔和高能气体压裂 2 道工序。射孔枪起爆后，产生的高能射流点燃推进剂，推进剂在无氧环境中燃烧产生高能气体，高压状态下的高能气体注入射孔孔道，在射孔孔眼周围形成多个径向裂缝。压裂车及水箱的作用是向井内注入高压、大排量的压裂液，