店坪矿切顶卸压无煤柱开采设计方案研究

马俊生

(山西焦煤集团公司 安监局，山西 太原 030024)

店坪矿切顶卸压无煤柱开采设计方案研究

马俊生

(山西焦煤集团公司 安监局，山西 太原 030024)

介绍了店坪煤矿5-200工作面的总体情况，根据预留巷道周围的地质条件，通过对中国矿业大学(北京)切顶卸压理论的研究，经过一系列理论计算及方案论证，决定采用切顶卸压沿空留巷无煤柱技术开采方案，并设计了切顶留巷顶板预裂爆破参数，提出了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采设计方案；已在店坪煤矿5-200采煤工作面推广应用，取得了阶段性的良好效果、较好的安全评价和经济效益。

切顶卸压；沿空留巷；无煤柱开采；预裂爆破

1 矿井5-200工作面概况

店坪煤矿位于山西省吕梁市方山县大武镇王家庄村一带，行政区划属方山县大武镇管辖。井田面积13.530 2 km2，均为自燃煤层，属于低瓦斯矿井，

工作面位于830水平二采区右翼，工作面东为5-204采空区，西为830系统大巷，南为实体煤，北为井田边界。工作面上部已全部开采，上部采空区无积水。工作面面长220 m，采用长壁式采煤方法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板。5-200工作面采用110工法自动成巷技术，设计留巷巷道为5-2002回风巷，设计留巷长度为1 088 m. 工作面布置示意图见图1.

图1 5-200工作面切顶卸压沿空成巷无煤柱开采施工位置示意图

2 方案设计论证

采用以“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”为主体的设计方案，通过预裂切缝爆破，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力，且预裂爆破能够很好地保护巷道顶板完整性。利用恒阻大变形锚索进行补强加固，控制顶板下沉，使所留巷道围岩能够最大限度地发挥自身承载作用，减少巷道变形，保证留巷效果。工作面推进过程中，预留巷道会受到动压影响，需要对所留巷道采取相应的支护措施，因此提出以下设计方案：

2.1 恒阻大变形锚索设计方案

为了保证切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性，在对巷道顶板进行预裂切顶前采用恒阻大变形锚索补强加固。恒阻大变形锚索垂直于顶板方向布置，共布设2列，第一列恒阻锚索距留巷帮500 mm，排距1 000 mm；第二列恒阻锚索在巷道中间布置，第二列恒阻锚索排距为2 000 mm. 第一列恒阻锚索相邻锚索之间用W钢带连接(W钢带平行于巷道走向)。

考虑到切缝参数及巷道原设计支护方式，恒阻大变形锚索直径取为21.8 mm，长度取为10.5 m，恒阻器长500 mm，外径72 mm，恒阻值为33±2 t，预紧力不小于28 t.

2.2 顶板预裂切缝设计方案

采用双向聚能爆破预裂技术，将特定规格的炸药装在两个设定方向有聚能效应的聚能装置中，炸药起爆后，炮孔围岩在非设定方向上均匀受压，而在设定向上集中受拉，依靠岩石抗压怕拉的特性，使岩石按设定方向拉裂成型，从而实现被爆破体按设定方向张拉断裂成型。

该爆破技术是在对比研究多种聚能爆破和定向爆破方法的基础上发展起来的一种新型聚能爆破技术，施工工艺简单，应用时只需要在预裂线上施工炮孔，采用双向聚能装置装药，并使聚能方向对应于岩体预裂方向。爆轰产物将在两个设定方向上形成聚能流，并产生集中张拉应力，使预裂炮孔沿聚能方向贯穿，形成预裂面。由于钻孔间的岩石是断裂的，爆破炸药单耗将大大下降，同时由于聚能装置对围岩的保护，钻孔周边岩体所受损伤也大大降低，可以达到实现预裂的同时又可以保护巷道顶板。预裂切缝深度(H缝)临界设计公式如下：

H缝=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中：

ΔH1—顶板下沉量，m；

ΔH2—底鼓量，m；

K—碎胀系数，取1.3～1.5.

根据顶板岩性，K取1.4，工作面采高取最大值3.1 m时，设计切缝深度为8.0 m. 切缝孔布置在巷帮与顶板夹角处，与铅垂线夹角为15°，切缝孔间距为500 mm. 炮孔试验参数及切缝布置见图2.

图2 炮孔参数试验方案图

首先根据方案设计进行单孔试验，最终确定一次爆破孔数以及爆破方式等。

双向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外径为42 mm，内径为36.5 mm，管长1 500 mm. 聚能爆破采用三级煤矿乳化炸药，拟采用炸药规格为d35 mm×200 mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。具体装药参数需根据以下试验方案通过现场试验确定。

由于切顶成巷后加设支护，故随工作面推进工作面支架移动后不容易跨落，无法形成较为完整新帮，对工作面防灭火造成较大影响，故在此位置需进行特殊的切顶及相关设计。拟采取通过降低工作面支架等措施对原有支护锚杆(索)进行退杆(索)处理，并在运输巷切眼位置顶板隔500 mm布置切缝孔，角度15°，钻头直径为48 mm，深度8 000 mm，与运输巷其他位置一致。采用前述双向聚能管采用特制聚能管、药卷及封泥进行爆破作业。

3 施工过程设计

5-2002工作面回风巷恒阻锚索加固及切顶缷压总体施工过程如下：

第一步：恒阻锚索加强支护。

第二步：顶板预裂爆破钻孔施工及顶板预裂爆破施工，在保证恒阻大变形锚索超前加固≥20 m的前提下，按工作面推进方向，对5-2002回风巷进行爆破预裂切缝，形成切顶缷压预裂切缝线，一次性在整个巷道完成爆破预裂切缝。

第三步：超后档杆支护，待工作面推过后，及时在端头支架后方进行档杆支护，及时设置门式支架；在靠近采空区侧每两根单体之间铺设钢筋网并布置一根U型钢可缩支架，并使用木楔将其紧固；单体及U型钢可缩支架必须加设柱靴增加摩擦力，必要时顶板加木楔，防止支柱及U型钢可缩支架滑动。为防止漏风现象发生，拟采取在钢筋网与工字钢之间铺设风筒布，高度取3.4 m，上下各超出20 cm，超出部分分别固定到顶底板，并进行有效封闭。

第四步：喷浆，待顶板垮落并稳定后，对垮落不充分的地方进行填充，整理巷道形状满足使用要求，并进行喷浆，保证巷道稳定，喷浆厚度不小于100 mm，混凝土强度达到C20以上，根据现场情况，为防止混凝土开裂，可使用钢纤维混凝土进行现场试验，保证稳定区有效封闭采空区。

4 监测方案设计论证

4.1 测站布置方案

距5-2002工作面回风巷50 m范围内，每5架布置一个测点，工作面其余位置每13架布置一个测点。5-2002回风巷留巷段内共布置28个测站，每50 m布置一个测站，每个测站由1套顶板离层监测仪、1套恒阻锚索受力监测仪及一套单体支柱受力及缩量监测系统组成，顶底板移近量监测设备根据实际情况进行布置。

4.2 巷道顶底板移近量监测

用收敛仪分别测量各测点到基准点的距离，两测点相邻两次测试数据的差值即为两点相对移近，以此累加相邻两次测试数据的差值即可得两点相对总移近量，测量精度0.1 mm.

4.3 巷道顶板离层监测

在测站恒阻锚索上安装顶板离层指示仪(见图3)，通过远程监控方式在线监测。

图3 顶板离层仪布置示意图

4.4 锚索受力及变形量监测

采用锚索拉力计进行监测，每个测站安装2个锚索测力计，便于时实跟踪监测锚索载荷变化情况，分析锚索工作状态，为调整和修改锚索支护参数提供基础数据依据。

在每个NPR锚索测站断面上安装1套锚索变形量监测仪，便于时实跟踪监测NPR锚索变形量，分析锚索工作状态，为调整和修改锚索支护参数提供基础数据依据。

4.5 门式支架、单体液压支柱受力及缩量监测

1) 门式支架、单体支柱受力监测。

在与恒阻锚索位置对应的门式支架、单体上安装压力表，架后临时支护每50 m安装一组，定时记录单体支柱的压力变化，并与恒阻锚索的监测结果进行对比，可分析出每个阶段哪种支护体在起主导作用。

2) 门式支架、单体支柱缩量监测。

测门式支架、单体支柱压力的同时，运用钢尺测量单体支柱的压缩情况，主要观察两次测量之间的差值，测量结果与恒阻锚索的缩进情况进行对比分析。

4.6 工作面液压支架压力监测

支架压力监测主要由矿用本安型压力传感器、矿用本安型压力监测分站、矿用本安型压力监测主站、矿压信息传输接口、围岩动态监测分析系统组成。通过压力传感器、信息传输接口将支架压力值传输至压力监测分站，压力监测分站将数据传输至压力检测主站，围岩动态监测分析系统对监测主站的数据进行分析。

5 效益分析

根据2015年综采掘进煤巷测算成本5 508元/m，在5-202工作面利用5-200回风巷，可节约743.58万元。

店坪矿在5-200工作面使用切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术，可多回采12.36万t煤柱，获得2 423.68万元的效益。

6 存在的问题

1) 《5-200工作面切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术设计方案》缺少对保留巷道通风防灭火设计，及采取的措施。

2) 该矿拟使用尼龙柱帽代替π梁支护顶板，需中国矿业大学陕西创元矿业有限公司对设计变更研讨论证。

7 结 论

通过对采煤工作面的切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术设计方案的论证研究，并在店坪矿5-200采煤工作面应用后，经济效益可观，可减少2 423.68万元的投入，吨煤成本明显降低；该工作面推进一段距离后，现场沿空留巷巷道顶板完整，压力明显减小，无底鼓和煤帮变形现象，也无漏风现象，切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术设计方案取得阶段性成果，待采煤工作面回采结束后，效果评价成功后，此项技术可大面积推广应用。

[1] 钱鸣交.20年来采场围岩控制理论与实践回顾[J].中国矿业大学，2000,29(1):1-4.

[2] 何现平，宋艳华.沿空留巷巷道支护技术[J].河北煤炭，2010(3):29-31.

Study on Design Scheme of No-pillar Mining for Pressure Relief with Roof Cutting in Dianping Coal Mine

MA Junsheng

This paper introduces the general situation of No.5-200 working face in Dianping Coal Mine. Based on the geological conditions around the reserved roadway, studies the theory of pressure relief with roof cutting originated by the China Mining University (Beijing), after a series of theoretical calculations and demonstration, It is decided to adopt the design scheme of gob side entry retaining, of pressure relief with roof cutting at No-pillar mining condition, and the parameters for the pre-splitting blasting of the roof are also designed, the design scheme has being implemented smoothly in No.5-200 working face in DianPing coalmine with comprehensive qualified results.

Pressure relief with roof cutting; Gob side entry retaining; No pillar mining; Pre-splitting blasting

2016-08-15

马俊生(1968—)，男，山西祁县人，1990年毕业于大同煤校，工程师，主要从事煤矿安全监察及应急救援工作

(E-mail)13994237918@163.com

TD823.4+8

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1672-0652(2016)10-0041-04