安徽理工大學:華心祝——動靜耦合作用下無煤柱切頂留巷頂板成縫與穩定機理

2021-03-02 煤炭學報
（1）基於靜載模型力學模型，得到基本頂最大拉應力與極限平衡區應力集中係數的函數關係，揭示極限平衡區應力集中係數僅對巷道基本頂局部拉應力分布區域有影響，而對巷道遠處的基本頂呈現無響應的原始狀態。（2）基於預裂爆破期間基本頂受力特徵，構建了基本頂動靜耦合作用下力學模型，建立了基於抗拉強度準則的巷道基本頂穩定判據，獲得巷道基本頂穩定時裝藥長度及炮孔間距之間的最大量化關係，並揭示爆破應力波在基本頂內呈拉壓交替變換且巷道基本頂同一位置持續受到拉、壓應力脈衝作用的傳播規律。

華心祝1,劉　嘯1,2,黃志國3,楊　朋3,馬　言4

1.安徽理工大學 深部煤礦採動響應與災害防控國家重點實驗室；2.煤科集團瀋陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室；3.東華理工大學 地球科學學院；4.恆源煤電股份有限公司祁東煤礦

無煤柱切頂留巷開採核心工藝為超前工作面採用預裂爆破技術切斷巷道頂板與採空區頂板力學聯繫,達到卸壓效果。預裂爆破期間巷道頂板不僅承受靜載作用,同時還承受爆破動載作用,屬動靜耦合作用,相較於常規回採巷道其力學過程複雜。

爆破致裂巖體機理上,國內外學者普遍認為巖體在爆破應力波作用下,拉應力超過巖體抗拉強度時,使巖體產生並擴展裂紋,爆生氣體加劇裂紋擴展,致使巖體破裂。無煤柱切頂留巷預裂爆破不僅要保證沿炮孔連線方向頂板成縫還要保證巷道頂板穩定。

無煤柱切頂留巷開採核心工藝為超前工作面採用預裂爆破技術切斷巷道頂板與採空區頂板力學聯繫。基本頂預裂爆破期間是動靜耦合作用的過程,動靜耦合作用下既要保證基本頂炮孔連線間形成貫通裂縫,達到切頂效果,同時還要保證巷道基本頂穩定,裝藥長度與炮孔間距是決定性因素。以安徽祁東煤礦7135工作面為工程背景,基於巖層中應力波衰減公式,分析了基本頂預裂爆破成縫機理,並以此建立基於抗拉強度的成縫判據,確定基本頂成縫時裝藥長度及炮孔間距的最小量化關係。基於預裂爆破過程基本頂受力特徵,建立基本頂動靜耦合作用力學模型,獲得耦合作用下基本頂應力計算公式,分析了動載作用下基本頂不同時間應力分布規律,揭示了爆破應力波在基本頂內呈拉、壓交替變換且巷道基本頂同一位置持續受到拉、壓應力脈衝作用的傳播規律。析了靜載作用下基本頂拉應力分布與不同側向應力集中係數關係,揭示極限平衡區應力集中係數僅對巷道基本頂局部拉應力分布有影響(0<x<3.0m),而對遠處的巷道基本頂應力分布無影響(x>3.0m)的規律;分析了巷道基本頂穩定機理,並以此獲得巷道基本頂穩定判據,確定巷道基本頂穩定時裝藥長度及炮孔間距的最大量化關係。根據編制的VB計算平臺,得到祁東煤礦7135工作面迴風巷預裂爆破裝藥長度為4m,炮孔間距為600mm。通過對炮孔進行窺視及頂板收斂觀測,驗證了理論計算模型的合理性。

工作面巷道布置及地質綜合柱狀

預裂爆破階段基本頂受力分析

聯孔聚能爆破力學模型

最大拉應力與炮孔間距及裝藥長度變化曲線

最大拉應力與裝藥長度及炮孔間距變化關係

基本頂力學模型

不同時間基本頂應力分布規律

拉應力與裝藥長度變化關係

動靜載作用下頂板拉應力與裝藥長度變化關係

無煤柱切頂留巷裝藥長度及炮孔間距計算程序

切頂參數

炮孔內裂隙分布

巷道頂底板變形及變形速率


華心祝，男，1964年9月生，博士、二級教授，博士生導師，煤炭安全精準開採國家地方聯合工程研究中心常務副主任，安徽省學術和技術帶頭人，國家級採礦工程特色專業建設點、國家級採礦工程本科專業綜合改革試點項目和安徽省採礦工程專業教學團隊負責人。國家科學技術獎評審專家庫成員。兼任國際巖石力學與工程學會會員、中國煤炭工業技術委員會專家委員、國家首批煤炭行業標準化專家、安徽省煤炭學會理事、《採礦與安全工程學報》與《西安科技大學學報（自然科學版）》編委，榮獲第八屆「安徽青年科技獎」。

研究方向

主要成果

長期致力於深井沿空留巷的理論與支護技術的研究，取得了多項創新性成果，形成了深井沿空留巷成套的理論和技術體系，保障了沿空留巷技術的推廣應用。近5年主持國家自然科學基金面上項目等國家級項目3項，主持完成和承擔其它縱橫向科研和教研項目14項，在《煤炭學報》、《巖石力學與工程學報》等專業期刊上發表學術論文20餘篇，參編國家規劃教材1部，獲省部級科學技術一、二等獎各1項，三等獎2項，獲省級教學成果一、二等獎各1項，編寫煤炭行業標準1項。

華心祝,劉嘯,黃志國,等.動靜耦合作用下無煤柱切頂留巷頂板成縫與穩定機理[J].煤炭學報,2020,45(11):3696-3708.
HUA Xinzhu,LIU Xiao,HUANG Zhiguo,et al.Stability mechanism of non-pillar gob-side entry retaining by roof cutting under the coupled static-dynamic loading[J].Journal of China Coal Society,2020,45(11):3696-3708.

郵箱：guoxiaowei@chinacs.org.cn
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