摘要：为了解决大面积悬顶难垮难落造成支护困难的问题，对膨胀致裂进行研究，首先利用数值模拟软件对膨胀致裂切顶卸压可行性进行研究，发现经过切顶卸压后顶板垮落情况得到明显加强，同时根据实际地质情况，设计了膨胀致裂切顶卸压技术方案，经过对胀致裂切顶技术方案进行工业化验证，发现膨胀致裂切顶后支撑压力在7 h后出现明显的下降趋势，支撑压力值从26 MPa快速降低至16 MPa，下降效果明显，切顶方案可行，为矿井安全开采做出一参考。

　　关键词：数值模拟；膨胀致裂；工业化试验；支撑压力

　　0引言

　　煤炭是我国重要的基础能源，其每年的产量直接关系经济发展及国家安全。目前煤炭资源在我国化石能源消耗占据90%以上的比重，在我国一次能源消耗比例中占据70%以上的比重，可以看出煤炭资逐步开采完毕，开采的重点向复杂煤层转移。坚硬顶板是指在矿井开采过程中，由于巷道顶板岩性较为坚硬，使得顶板无法随垮随落，使得巷道出现大面积悬顶[1-2]，大面积的悬顶不仅威胁着矿井的正常生产，同时会造成巷道支护困难[3-4]，为了解决坚硬顶板问题，本文以晋北煤业3208工作面为研究背景，对坚硬顶板静态膨胀致裂技术进行研究，为矿井坚硬顶板的治理做出一定的贡献。

　　1背景介绍及模拟研究

　　1.1背景介绍

　　工作面煤层走向N13。W～N8。E，倾向SW-NW，倾角25。，厚度为14.77 m，属于石炭系太原组中下部，结构复杂，煤层中含不稳定夹矸，顶底板岩性如表1所示。

　　1.2数值模拟研究

　　为验证膨胀致裂可行性，采用3DEC软件根据工作面实际情况进行建模分析，模型尺寸为200 m×1 m×80 m的三维模型，主要研究90~130 m范围，分别对模型的边界条件进行设定，固定左右、前后、下边界位移，对模型上部施加均布荷载4.87 MPa，同时在模型内部设置监测线，切顶前后覆岩运移云图，如图1所示。

　　可以看出，在切割顶板之前，覆盖层被压缩，导致远离工作面的位置发生坍塌，而靠近工作面的位置没有明显的坍塌。此时，直接顶板较大程度弯曲，形成铰接结构，在100.0~109.2 m范围内形成悬臂结构，悬臂长度9.2 m。同时，膨胀剂切割顶部后，坍塌高度为4.71 m，形成1.09 m的四个破碎阶段，形状变化较小，用膨胀剂顶切后破断效果明显，顶切方案可行。

　　2工业化试验

　　通过模拟验证了切顶方案可行性后，进行工程实践，选定倾斜试验段布置，布置示意图如图2所示。

　　工作面平均一天进行5个循环作业，循环长度为0.6 m，平均一天产生3 m悬顶，施工方案设计时，根据自由面进行设置。具体的切顶流程如下：首先为压裂准备阶段，此阶段对材料用量以及钻孔具体参数进行设计；其次为施工阶段，此阶段对钻孔进行施工，并将材料搅拌注入钻孔内；最后为封孔和致裂阶段，对钻孔进行封闭，进行膨胀致裂。

　　膨胀剂采用益凯建材贸易公司生产的，钻孔间距为0.4 m，钻孔长度为0.6 m，为倾斜布置，倾斜角度10。，在端头距离巷旁0.5 m的位置布置钻孔，共施加6个钻孔，布置图如3所示。

　　进行膨胀剂的配置，按照1:3用水搅拌，搅拌均匀后注入灌浆泵，直到浆液完全没有胶结物和固体，然后打开灌浆口；灌浆施工时，将软管连接到灌浆出口，将灌浆软管延伸到灌浆点，然后连接到灌浆钢管上，用封孔器和灌浆钢管将封孔器插入孔口，深度为1 m。在整个灌浆过程中，防止浆液倒流。钻孔灌注泥浆后，取出灌浆钢管，并在钻孔中留下封孔器。用锚固剂封孔两次，避免泥浆流动，完成施工过程。端头支撑压力曲线如图4所示。

　　可以看出，在切割顶板之前，覆盖层被压缩，导致远离工作面的位置发生坍塌，而靠近工作面的位置没有明显的坍塌。此时，直接顶板较大程度弯曲，形成铰接结构，在100~109.2 m范围内形成悬臂结构，悬臂长度9.2 m。同时，膨胀剂顶切后坍塌高度为4.71 m，形成1.09 m的四个破碎阶段，形状变化较小，膨胀剂底切后破碎效果明显，顶切方案可行。如图4所示，方形标记为非开挖巷道的顶板支护曲线，圆形标记为预裂过程中端部支护压力的变化曲线。灌浆过程完成后7 h内，两条曲线的趋势一致

　　3结论

　　1）通过数值模拟验证膨胀开裂和顶部减压方案的可行性，经过模拟发现顶部减压后顶板坍塌高度为4.71 m，形成的阶梯断层段。

　　2）根据实际地质条件，给出了膨胀压裂顶板泄压技术方案，同时给出了方案的具体施工工艺。

　　3）通过7 h的膨胀开裂，发现顶切后端支撑压力迅速下降，此时支撑压力值从26 MPa迅速下降到16 MPa，下降幅度为10 MPa。

　　参考文献

　　[1]尹忠昌，宋俊生，胡少银，高全臣.坚硬顶板切缝药包深孔预裂松动爆破技术研究[J].矿业科学学报，2021，6（6）：696-702.

　　[2]徐长久.韩家洼矿坚硬顶板综放工作面矿压监测结果与分析[J].煤，2021，30（10）：84-87.

　　[3]徐志军.坚硬顶板末采深孔爆破切顶护巷关键技术研究[J].内蒙古煤炭经济，2021（5）：13-14.

　　[4]郭军鹏.米山煤业浅埋煤层坚硬顶板水压致裂技术应用[J].江西煤炭科技，2021（3）：13-15.