中圖分類號(hào)：TD322 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）07-0034-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.07.007

Top Cutting and Pressure Relief Technology of Pre-fracturing Blasting and Reasonable Selection of Top Cutting Parameters

HE Haoda'LOU Peijie12 （1.School of Civil Engineeringand Construction，Anhui Universityof Technology，Huainan 232Oo1，China; 2.State KeyLaboratory for Fine Exploration and Intelligent Development of Coal Resources， China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract：[Purposes] This study aims to address the issue of the 131105 working face mining affecting the use of the central roadway in a coal mine，by using pre-fracturing blasting technology to cut off the stress from the mined area and transfer it to the mined area sideways，thus ensuring the normal use of the central roadway.The optimal parameters for cuting-top relief are proposed to achieve the best relief effect.[Methods] This study analyzes the cuting-top relief mechanismand derives the basic scheme for cutting-top relief through theoretical analysis and engineering analogy.The analysis is conducted using the FLAC3D software at different heights and angles to obtain the optimal cutting-top height and angle，

thereby verifying the rationality of the basic scheme.[Findings] The study shows that the cutting-top angle should not be too large nor too small，with the optimal angle being .As the cutting-top height increases，the degree of stress concentration on the side of the mined area gradually decreases.When the cutting-top height exceeds 2 5 m ，the degree of stress concentration changes litle. Ultimately，a cuttingtop height of 2 5 m is chosen.[Conclusions] By pre-fracturing blasting on the side of the working face and selecting reasonable cutting-top parameters，it is possble to effectively cut off the stress transfer from the hard roof and reduce the peak support pressure， thereby achieving the goal of protecting the side roadway，which providesreferenceand guidance forsimilarmines.

Keywords：mining influence; pre-fracturing blasting; cuting top and relieving pressure; FLAC ; numerical simulation

0 引言

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采強(qiáng)度和深度的增加，地應(yīng)力、采動(dòng)應(yīng)力影響范圍、應(yīng)力集中系數(shù)逐漸增大，加之巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)的惡化，巷道變形愈發(fā)劇烈[]。煤礦在進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，受采掘影響應(yīng)力重新分布，在工作面前方形成超前支承壓力，超前支承壓力具有隨回采向前移動(dòng)的特點(diǎn)，若工作面前方超前支撐壓力影響范圍內(nèi)存在巷道，巷道必將受其動(dòng)壓影響。同樣在工作面回采時(shí)，工作面?zhèn)确揭矔?huì)存在側(cè)向支撐壓力，若工作面?zhèn)认蛑螇毫τ绊懛秶鷥?nèi)存在巷道，隨著工作面向前推移，側(cè)向巷道也會(huì)受到動(dòng)壓影響。為了避免巷道受附近工作面采動(dòng)影響，可以采取切頂卸壓的方法來(lái)削弱影響。

近些年來(lái)，我國(guó)學(xué)者在切頂卸壓方面做了大量研究，朱文慶等3針對(duì)工作面末采階段采區(qū)大巷圍巖變形失穩(wěn)問(wèn)題，基于力學(xué)模型和理論計(jì)算，分析原因后提出深孔預(yù)裂爆破技術(shù)，以破壞超前支承壓力傳遞路徑，提高大巷圍巖穩(wěn)定性；陳金宇等4通過(guò)對(duì)孤島工作面回采巷道受相鄰工作面采空區(qū)未完全垮落老頂高支承壓力影響的問(wèn)題進(jìn)行研究，采用水力切頂方法切斷采空區(qū)老頂壓力傳遞路線，降低孤島工作面回采巷道應(yīng)力，使回采巷道支護(hù)維護(hù)更加容易；李漢璞等5以賈家溝煤礦10115運(yùn)輸巷為工程背景，通過(guò)\"切頂卸壓 + 頂、幫錨索補(bǔ)強(qiáng)\"聯(lián)合控制技術(shù)，對(duì)巷道進(jìn)行切頂卸壓處理，以切斷應(yīng)力傳遞，降低礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在兩次采動(dòng)影響下，巷道圍巖變形呈現(xiàn)不同規(guī)律，二次采動(dòng)影響下變形更加劇烈，結(jié)果表明，通過(guò)該技術(shù)可保證巷道圍巖穩(wěn)定；孫靖康等針對(duì)沿空留巷切頂卸壓前后底板力學(xué)分析不全面的問(wèn)題，構(gòu)建力學(xué)模型分析影響巷道底鼓量的因素，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證切頂卸壓前后變化，結(jié)果表明該技術(shù)可縮小破壞區(qū)域，穩(wěn)定圍巖結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力和底鼓量，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也證實(shí)其能優(yōu)化應(yīng)力結(jié)構(gòu)、抑制底鼓并改善底板破壞情況。

某煤礦東三集中大巷曾受已采工作面動(dòng)壓影響，局部出現(xiàn)底鼓、變形，現(xiàn)基本穩(wěn)定的情況，考慮到131105工作面回采會(huì)對(duì)其產(chǎn)生二次動(dòng)壓，影響正常使用。通過(guò)人為制造損傷裂隙，使頂板定向破壞，切斷頂板完整性，阻斷應(yīng)力傳遞，以降低巷道變形破壞，保障其正常使用。本研究采用理論分析與數(shù)值模擬，探究不同切頂高度和角度下側(cè)向支撐壓力分布，進(jìn)而選取合理參數(shù)。

1 工程概況

131105工作面為走向長(zhǎng)壁開(kāi)采，工作面切眼長(zhǎng)2 4 4 . 0 m （平距），傾斜長(zhǎng) 2 5 5 . 5 m 。工作面可采面積為 ，地層傾角為 ，平均 。該工作面11-2煤厚總體穩(wěn)定，總體煤厚 1 . 2 0 ～ 3 . 3 3 m ，平均煤厚 2 . 4 0 m 。131105工作面11-2煤頂、底板均發(fā)育多層砂巖，直接頂為 2 . 4 m 厚泥巖，老頂為 4 . 2 m 厚細(xì)砂巖，直接底為 1 . 5 m 厚泥巖，老底為 2 . 2 m 粉砂巖。

2預(yù)裂爆破切頂卸壓機(jī)理

在進(jìn)行切縫施工前，巷道頂板和待保護(hù)巷道及煤柱頂板是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，兩者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有高度協(xié)同性，完整的塊體A和未斷裂的塊體B形成了一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，其將傳遞來(lái)自采空區(qū)頂板巖層的壓力，從而增大采空區(qū)側(cè)向煤體的壓力，進(jìn)而影響側(cè)向系統(tǒng)巷道的穩(wěn)定性。預(yù)裂爆破后，可使頂板相鄰的炮孔間形成貫通裂縫，塊體A和B沿著預(yù)裂切縫斷開(kāi)，頂板結(jié)構(gòu)連接狀態(tài)發(fā)生改變，如圖1所示。采空區(qū)頂板巖體在周期來(lái)壓作用下沿深孔預(yù)裂損傷面滑落，垮落后的矸石作為充填體8，煤柱頂板保持原有狀態(tài)不變?；诙瘫诹豪碚摰那许斝秹杭夹g(shù)，在回采巷道將要形成的采空區(qū)一側(cè)進(jìn)行爆破預(yù)裂，切斷頂板的應(yīng)力傳遞路徑，縮短頂板懸臂梁的長(zhǎng)度，減少保留巷道煤體受到回采動(dòng)壓的影響[9。此措施使煤柱受頂板作用力大大減少，可保證巷道使用期間的穩(wěn)定性。

3切頂卸壓方案

3.1 切頂高度

根據(jù)131105膠帶順槽及切眼巷道賦存情況，結(jié)合頂板巖性分布及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，預(yù)裂切縫損傷鉆孔高度與采高有關(guān)，一般通過(guò)式（1）確定。

式中： 為炸高， 為采高， m; K 為碎脹系數(shù)，取 1 . 3 ～ 1 . 5 。

結(jié)合上覆巖層特性，采空區(qū)頂板冒落煤矸石碎脹系數(shù) K 取最小值1.3，工作面采高 為 2 . 7 m 時(shí)，計(jì)算得出 ，結(jié)合頂板巖性情況及巷道的寬度為 5 . 8 m ，煤層傾角為 ，為了破壞上覆巖體結(jié)合煤層賦存頂?shù)装鍘r性，綜合考慮上述計(jì)算結(jié)果和施工操作的難度，切縫孔高度應(yīng)為 2 3 m 以上，取 2 5 m 。

3.2 鉆孔角度與孔間距

切縫角度為爆破鉆孔與垂直線間的夾角（偏向采空區(qū)），切縫角度不宜過(guò)小也不宜過(guò)大，切縫角度過(guò)小采空區(qū)頂板難以沿著切縫滑落，切縫角度過(guò)大會(huì)增加懸臂梁長(zhǎng)度，影響切頂卸壓效果。類比其他工作面工程實(shí)踐，結(jié)果表明切縫角度為 時(shí)有利于巷道穩(wěn)定，切縫孔間距設(shè)計(jì)為（ 5 0 0 0±5 0 0 ） m m ○

3.3 鉆孔深度

鉆孔深度可以按照切頂高度及鉆孔角度來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式見(jiàn)式（2）。

式中： L 為鉆孔深度， 為切頂高度， m; θ 為鉆孔與豎直方向的夾角，取 ；δ為鉆孔與巷道夾角，取 。由式（2）計(jì)算可得鉆孔深度 L 為 2 7 . 6 m 取 2 8 m ，炮孔直徑確定為 9 4 m m 。

4數(shù)值模擬

4.1 模型建立

本研究通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)某礦131105工作面切頂卸壓方案進(jìn)行模擬分析，得出合理的切頂卸壓參數(shù)。以該礦131105工作面為工程背景，根據(jù)實(shí)際的工程地質(zhì)條件建立尺寸為 3 0 0 m×1 0 m×1 5 0 m 的數(shù)值模型，煤層埋深 7 2 0 m ，巖層傾角為 。固定模型左右邊界 x 方向位移，前后邊界 y 方向位移，底部邊界 z 方向位移，模型上部邊界施加等效載荷，其值為 ，計(jì)算 q 約為 1 5 M P a ，側(cè)壓系數(shù)取1.3，數(shù)值模擬采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

4.2 不同切頂角度數(shù)值分析

為了模擬最佳切頂角度，以 2 0 m 的切頂高度分別選取 和 切頂角度進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析工作面回采后，回采巷道一側(cè)側(cè)向支撐壓力的分布情況，從而選取較合理的切頂角度。

未切頂及各個(gè)角度切頂后采空區(qū)一側(cè)垂直應(yīng)力分布如圖2所示。由圖2可知，未切頂時(shí)，當(dāng)工作面回采后一側(cè)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，采用深孔爆破切頂后，工作面?zhèn)认虻膽?yīng)力集中有所減小。由圖2還可以看出，切頂后工作面一側(cè)高應(yīng)力區(qū)明顯減小，且應(yīng)力集中區(qū)域沿切縫向上方轉(zhuǎn)移，使得工作面?zhèn)认驊?yīng)力峰值也有所下降，說(shuō)明爆破切頂后有效地切斷了頂板完整性，阻斷了采空區(qū)上覆巖層荷載向工作面?zhèn)确絺鬟f，改變了側(cè)向支撐壓力的分布狀態(tài)。

本研究通過(guò)在數(shù)值模型中布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)采空區(qū)一側(cè)的垂直應(yīng)力數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)位置設(shè)置在回采巷道幫部中間位置，向深部巖土體延伸，不同切頂角度側(cè)向支撐壓力峰值對(duì)比如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)切頂角度為 時(shí)，應(yīng)力峰值處于最小的狀態(tài)，此后隨著角度的增大，應(yīng)力峰值逐漸增大，可以看出切頂角度 后增大切頂角度反而對(duì)切頂效果起反作用，說(shuō)明切頂角度并不是越大越好，切頂角度大反而增加了懸臂梁長(zhǎng)度，卸壓效果差。所以需要選擇最佳的切頂角度，最終選擇切頂角度 ，由此可見(jiàn)切頂角度在 。

4.3 不同切頂高度數(shù)值分析

切頂高度對(duì)卸壓效果有明顯影響，利用FLAC3D軟件建立計(jì)算模型，分別模擬切頂高度為0、10、15、20、25、30和 3 5 m ，切頂角度為 時(shí)的采空區(qū)一側(cè)垂直應(yīng)力分布特征，繪制側(cè)向支撐壓力曲線并進(jìn)行對(duì)比，最后選擇合適的切頂高度。不同切頂高度，采空區(qū)一側(cè)垂直應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可知，與未切頂時(shí)進(jìn)行對(duì)比，切頂操作切斷了頂板的應(yīng)力傳遞路徑。隨著切頂高度的不斷增加，采空區(qū)側(cè)向的應(yīng)力峰值呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。由圖4還可以看出，采空區(qū)一側(cè)的高應(yīng)力區(qū)，其應(yīng)力峰值相較于未切頂時(shí)出現(xiàn)了明顯下降。當(dāng)切頂高度為1 0 m 時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)的范圍朝上方巖層擴(kuò)展，進(jìn)而形成了連貫的高應(yīng)力區(qū)。當(dāng)切頂高度為15、20、25、30和 3 5 m 時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)伴隨切頂高度的遞增而不斷向上方延伸轉(zhuǎn)移，逐漸構(gòu)建成兩個(gè)高應(yīng)力區(qū)，在切頂高度為 3 0 m 和 3 5 m 時(shí)這種現(xiàn)象極為明顯，而且這些高應(yīng)力區(qū)均位于切縫的右側(cè)不遠(yuǎn)處。分析上述現(xiàn)象能夠得出，切頂卸壓后能夠顯著降低采空區(qū)側(cè)向的支撐壓力峰值，然而側(cè)向高應(yīng)力區(qū)的范圍會(huì)隨切縫高度向上方轉(zhuǎn)移延伸。

不同高度切頂后側(cè)向支撐壓力峰值對(duì)比如圖5所示。由圖5可知，未切頂時(shí)采空區(qū)一側(cè)支撐壓力峰值為 7 8 . 9 7 M P a ;當(dāng)切頂高度為 1 0 m 時(shí)支撐壓力峰值為 7 6 . 9 5 M P a ，較未切頂時(shí)應(yīng)力集中現(xiàn)象有明顯改善；當(dāng)切頂高度為 2 0 m 時(shí)應(yīng)力峰值為 6 9 . 4 8 M P a 當(dāng)切頂高度為 2 5 m 時(shí)應(yīng)力峰值為 6 7 . 0 9 M P a ，而當(dāng)切頂高度為 3 0 m 和 3 5 m 時(shí)應(yīng)力峰值變?yōu)?6 6 . 6 M P a 和 6 5 . 8 M P a ，應(yīng)力峰值下降幅度減小。采空區(qū)一側(cè)頂板一定范圍內(nèi)有非常明顯的卸壓區(qū)。隨著切頂高度的增加，采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力集中程度越來(lái)越低，但當(dāng)切頂高度超過(guò) 2 5 m 后，繼續(xù)增加切頂高度，采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力集中程度變化不明顯，考慮鉆孔工作量，該礦131105工作面最佳切頂卸壓高度選擇2 5 m ，與上文所得切頂高度一致。

5結(jié)論

① 經(jīng)過(guò)理論分析和工程類比法得出，該礦131105工作面切頂卸壓切頂高度為 2 5 m ，鉆孔深度為 2 8 m ，切縫角度為 時(shí)能夠有較好的卸壓效果，確保巷道的穩(wěn)定。爆破鉆孔間距為（50 0 0±5 0 0 ）mmo

② 通過(guò)FLACD數(shù)值模擬分析可知，隨著切頂角度的增加，切頂后應(yīng)力集中峰值先減小后增加，切頂角度不是越大越好，切頂角度越大反而增加懸臂梁長(zhǎng)度，卸壓效果不好，最佳切頂角度選擇為 ○隨著切縫高度的增加，應(yīng)力集中峰值逐漸減小，當(dāng)切頂高度超過(guò) 2 5 m 后，應(yīng)力集中程度變化不明顯，因此選擇最佳切頂高度 2 5 m ○

③ 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了理論分析和工程類比法所得出參數(shù)的合理性，通過(guò)對(duì)工作面?zhèn)认蜻M(jìn)行預(yù)裂爆破切頂可以有效切斷頂板的應(yīng)力傳播，降低采空區(qū)側(cè)向支撐壓力峰值，從而達(dá)到保護(hù)大巷的目的，研究結(jié)果可為類似條件的礦井提供參考。

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