切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术在不同顶板条件下的应用与实践

王子越，宋润权，黄 伟，杨 刚

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.四川煤炭产业集团芙蓉公司 白皎煤矿，四川 宜宾 644501)



切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术在不同顶板条件下的应用与实践

王子越1，宋润权2，黄 伟2，杨 刚2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.四川煤炭产业集团芙蓉公司 白皎煤矿，四川 宜宾 644501)

为解决白皎煤矿保护层留煤柱引发的采空区瓦斯积聚、瓦斯突出及应力集中对近距离煤层开采引起的灾害问题，进行了切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术实践。给出了厚顶板煤层合理切顶深度的经验计算公式，并实现了近距离薄顶板煤层切顶卸压自动成巷，提出了完整的切顶卸压自动成巷施工工艺。切顶卸压自动成巷巷道在下一工作面回采期间变形量较小，取得了良好的技术经济效益。

切顶卸压；自动成巷；无煤柱开采；厚顶板煤层；薄顶板煤层；切顶深度

Application and Practial of Anthracitic Column Mining with Roadway Auto-generation by Roof Cutting Unloading in Different Roof Situation

切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术工序简单，工程量小，可与工作面回采平行作业，同时取消了采空区煤柱，消除了采空区发火源，避免了煤柱应力集中对近距离煤层开采引起的灾害。国内外学者与工程技术人员进行了大量研究工作[1-3]。张国锋、何满潮等对切顶卸压自动成巷技术的原理、理论基础和技术关键进行了研究[4-5]，提出了完整的施工工艺流程，并在现场成功实施；陈勇、郝胜鹏[6]等对切顶卸压采用的浅孔爆破技术的各项参数进行了数值模拟研究，得出了最佳装药孔间距和装药孔不耦合系数；何满潮、郭志飙发明了一种恒阻大变形锚索[7]，并对其力学性能进行了研究，为切顶卸压自动成巷巷道的支护提供了有效手段。上述成果从理论和技术实践上都得到了较好地发展和应用，但缺少合理切顶深度的研究，同时切顶卸压自动成巷多在厚顶板条件下实现，缺乏近距离薄煤层切顶成巷实践。

本文以四川芙蓉矿区白皎煤矿近距离煤层无煤柱开采为工程背景，经过多次现场试验，提出了厚顶板切顶卸压自动成巷合理切顶深度的确定方法，并实现近距离薄煤层切顶卸压自动成巷。切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术在不同顶板条件下的应用取消了采空区煤柱，提高了采出率，避免了采空区发火源和应力集中在近距离煤层开采引起的灾害问题。同时，减少了巷道掘进量，缓解了采掘接续紧张的局面，降低了吨煤成本，取得了良好的经济技术效果。

1 切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术关键工艺流程

切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术采用聚能管定向爆破技术沿巷道轴向靠近工作面侧超前预裂顶板，在工作面周期来压作用下，顶板沿预裂缝切落。切顶范围内顶板岩体垮落碎胀，支承上覆岩层，从而减少上覆岩层的下沉和回转变形，实现留巷卸压。切落的顶板岩体形成巷帮，保留工作面下平巷，经过简单的采空区侧防漏风防火处理即可使用，从而实现一面一巷的回采方式。其主要的工艺流程为：

掘进施工首采面上下平巷→使用大变形恒阻锚索超前加固下平巷采空区侧顶板→采用聚能环定向爆破技术进行顶板预裂缝施工→回采工作面→在顶板周期来压作用下，切顶范围内岩体沿预裂缝自动切落成巷帮→对工作面后方稳定区巷道进行二次维护→对成巷区进行防漏风防火等密闭处理措施。

2 不同顶板条件下切顶卸压沿空留巷开采技术实践

白皎煤矿24采区共有1～5号5层煤层，其中1～4号煤层可采，为近距离煤层，采用下行开采顺序。其中，1号煤层为坚硬顶板，2号煤层为中硬顶板，3号煤层为中硬薄顶板，4号煤层为软弱薄顶板。煤层层位关系及基本情况见表1。

表1 煤层主要物理性质

2.1 厚顶板的切顶护巷

基于切顶卸压沿空留巷理论基础，经过现场反复实践探索，提出以下合理切顶深度的确定方法：切顶深度可根据以下原则计算，即煤层开采完毕，切落顶板碎胀后能有效支撑上覆岩层。由于顶板切落碎胀支撑上覆岩层后，破碎岩石会进一步压实，所以应取残余碎胀系数。不同岩性围岩残余碎胀系数不同，经现场实践，煤系沉积岩残余碎胀系数可取1.15～1.2。

切顶深度H可按照下式计算：

(1)

切顶深度应根据顶板条件适当调整，若顶板围岩完整坚硬，应适当增加切顶深度，若顶板围岩软弱破碎，可适当减小切顶深度。

2.1.1 工程实践

2号煤层顶底板岩性见表2。

表2 2号煤层顶底板岩性

试验巷道为白皎矿2422工作面机巷，异形断面，巷高2.5m，巷宽3.2～4.4m，长465m。巷道顶板主要为砂质泥岩和细砂岩，中硬厚顶板，初始支护为锚杆索联合支护。工作面采用综合机械化开采，平均采高1.2m。利用双向聚能拉张成型爆破技术进行切顶，使用恒阻锚索进行巷旁支护。根据式(1)算得切顶深度为6m，考虑顶板以上5m处为煤线，强度较低，会自动垮落，最终确定切顶深度为5m。

2.1.1.1 留巷掘进支护

锚杆：锚杆为恒阻大变形锚杆，直径20mm，长度2200mm。使用K2350树脂锚固剂进行端头锚固，每根锚杆使用2根锚固剂。锚杆预紧扭矩≥100N·m。

底角锚杆：采用直径为42mm，长度2200mm无缝钢管，每排2根。下扎30°打设，后插直径22mm钢筋后进行注浆锚固。

锚索：顶板支护形式为恒阻大变形锚索，锚索规格为：长8000mm，直径15.6mm，端头锚固，每根锚索使用4只K2350树脂锚固剂，锚索预紧力≥120kN。

托盘：锚杆托盘为木托盘和铁托盘组成的复合托盘，其中铁托盘为120mm×120mm×10mm碟形托盘，木托盘规格为120mm×80mm×50mm。锚索托盘由20号废旧槽钢切割而成，尺寸为200mm×200mm×10mm，使用尺寸为150mm×150mm×10mm的钢板中间加焊进行强化，钢板中心眼孔直径为20mm。

支护结构参数见图1。

图1 白皎矿2422工作面机巷支护参数

2.1.1.2 爆破切顶钻孔布置参数

根据试验现场的实际条件，试验中选用φ25mm乳化炸药，聚能管内径为28mm，外径为32mm，炮孔直径为35mm，顶板炮孔间距为0.5m。

为避免大面积破坏顶板，药量应参照顶板岩性f=4～6 确定为小于800g/孔。为防止爆破冲击波破坏浅部顶板，使其爆破能量更好地沿聚能管切缝释放切割顶板，在聚能管内充填黄泥1.6m，进行孔口充填封孔。

2.1.1.3 动压加强支护参数

(1)采用DZ25-25/100型单体液压支柱配工字钢梁对工作面前方超前支承压力区进行临时支护，超前压力区前10m每排架设2根单体柱，柱距0.9m，1梁1柱布置；超前压力区前10～20m每排架设1根单体柱，柱距0.9m，1梁1柱。

(2)工作面后方40m，采用DZ25-25/100型单体液压支柱配工字钢梁进行补强支护，每排架设3根单体柱，柱距1m，1梁1柱布置；工作面后方40～60m，靠近采空区侧密集架设单体柱，柱距0.5m，外侧挂钢筋网，局部地段打斜撑柱以提高挡矸效果。

(3)工作面煤壁后方60m以外，压力趋于稳定，回撤DZ25-25/100型单体液压支柱，打设工字钢棚，棚距0.9m。

2.1.1.4 切顶效果

2号煤层工作面直接顶垮落步距为5～10m，工作面采完支架回撤完后，仅沿空留巷与结束线的三角区内悬顶约10m2，其余地段全部垮落充填采空区，并有效支承上覆岩层。

2号煤层工作面所有留巷全部成功，巷道进行简单修复后即可作为下一工作面回风巷使用。巷道在使用周期内变形量小，顶底板移近量不超过150mm。

2.2 近距离薄顶板煤层切顶护巷

由于近距离煤层上分层开采对底板的破坏作用，下分层开采时，煤层之间的顶板已处于破坏状态，因此不需要进行爆破切顶，可采用密集钻孔导向切顶，切顶深度为小于顶板厚度0.5m为宜，避免打穿顶板，以保证工作面回采前，巷道顶板的完整。

2.2.1 工程实践

2号、3号煤层平均层间距仅为2.6m，3号煤层顶板主要为黏土岩。3号、4号煤层平均层间距仅为2.3m，4号煤层顶板主要为砂质泥岩。

顶板厚度大于3m地段采用异形断面，锚杆支护；顶板厚度小于3m 地段采用梯形断面，并采用工字钢梁被动支护。工作面采用综合机械化回采，采高约1.2m。采用密集钻孔导向切顶方案。切顶参数如下：钻孔深度比顶板厚度小0.5m，切顶导向钻孔沿工作面侧提前布置一列，距巷帮0.2m，孔间距0.3m。

2.2.2 切顶效果

3号煤层工作面的顶板垮落步距为4.0m； 4号煤层工作面顶板垮落步距为1.8m。正常推进期间，除上下隅角外，采场内无明显悬顶。

3号煤层留巷期间顶底板移近量最大115.6mm，平均56.2mm；4号煤层留巷期间顶底板移近量约50mm，下一工作面回采期间巷道保持完整，变形不大，完全满足开采要求。

2.3 经济效果分析

目前白皎矿已在20余个采煤工作面进行了切顶卸压沿空成巷无煤柱开采应用，切顶成巷约15000m。节约回采巷道掘进和矸石提升运输费4500万元；多回收煤炭资源0.3Mt，增加产值7200万元。同时杜绝了瓦斯突出和爆炸事故，瓦斯超限次数下降85%，消除了因留设煤柱而引发的煤层自燃事故，工作面顶板事故率为“0”。芙蓉矿区每年约有13800m的沿空巷道工程，该技术推广应用前景广泛。

3 结 论

(1)指出厚顶板煤层切顶卸压自动成巷成功关键在于顶板切落碎胀后能有效支撑上覆岩层，并提出厚顶板煤层切顶卸压自动成巷切顶深度经验计算公式。

(2)对于近距离薄顶板煤层切顶卸压自动成巷，由于上分层开采对下分层顶板破坏作用，切顶时要注意保护顶板完整性，可只采用密集钻孔导向切顶。

(3)经过反复工业试验，成功在白皎矿实现了各类顶板条件下沿空切顶卸压自动成巷无煤柱开采，提出了完整的切顶卸压自动成巷施工工艺和施工参数确定方法。留巷在下一工作面回采期间变形较小，可为同类顶板条件下切顶卸压自动成巷提供借鉴。

[1]袁 亮.低透气性煤层群无煤柱煤气共采理论与实践[J].中国工程科学，2009，11(5)：72-80.

[2]李化敏.沿空留巷顶板岩层控制设计[J].岩石力学与工程学报，2000，19(5)：651-654.

[3]康红普，牛多龙，张 震，等.深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术[J].岩石力学与地下工程学报，2010，29(10)：1978-1987.

[4]张国锋，何满潮，俞学平，等.白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技术研究[J].采矿与安全工程学报，2011，28(4)：511-515.

[5]张国锋.切顶卸压沿空成巷机理及关键技术研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2010.

[6]陈 勇，郝胜鹏，陈延涛，等.带有导向孔的浅孔爆破在留巷切顶卸压中的应用研究[J].采矿与安全工程学报，2015，32(2)：253-259.

[7]何满潮，郭志飙.恒阻大变形锚杆力学特性及其工程应用[J].岩石力学与地下工程学报，2014，33(7)：1297-1308.

[责任编辑：于健浩]

2016-04-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.010

王子越(1988-)，男，山东滨州人，硕士，从事巷道支护理论与技术研究。

王子越，宋润权，黄 伟，等.切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术在不同顶板条件下的应用与实践[J].煤矿开采，2016，21(6)：35-37.

TD823.25

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1006-6225(2016)06-0035-03