切顶卸压沿空留巷技术研究及应用研究

田志勇

（西山煤电集团总调度室，山西太原030053）

留煤柱是矿山开采煤炭资源的常用手段，煤炭工业化、机械化的发展使得这种开采方法的弊端不断增大，造成了许多事故。沿空留巷技术不仅能扩大煤炭的回收率，提高开采效率，还能降低开采风险。由于上覆盖岩旋转下沉产生的动载荷，传统沿空留巷巷旁充填体会被破坏，切顶卸压技术可以减弱动载荷对充填体的影响。

1 国内外沿空留巷研究现状

1.1 国内

从20世纪70年代开始，国内开始研究沿空留巷技术，起初，国内对其的研究应用借鉴了国外的经验，但成效不如人意。经过我国学者对其的一系列探讨、研究和实践，国内的沿空留巷进入到了新时期。国内对沿空留巷技术的研究历程可分为4个阶段。在第一阶段，采用矸石堆垛进行巷旁充填，发挥支护作用，山东、辽宁等省份都曾采用这一手段。利用矸石堆垛支护的缺点是会导致巷内严重变形，且不能发挥很好的隔离作用。巷内严重变形的原因是矸石沉缩量大，使顶板过量下沉，最终导致巷内变形。在第二阶段，主要研究内容是沿空留巷的巷旁充填体材料，提出了具有创新性的砌体墙法和密集支护法等。砌体墙法即用人工砌墙作为巷旁充填体，这种方法能取得很好的隔离效果，但由于与顶板接触困难，经常出现空顶现象，导致不能对顶板岩层起到有效的支撑作用。密集支护法与顶板接触良好，但隔离效果差，支护效果一般。在第三阶段，这一阶段位于20世纪80年代后期至90年代前期，高水充填材料开始被应用于沿空留巷。高水充填材料能实现大范围充填，且施工机械化程度高，但不能预防突发情况，因此不能被大面积使用。在第四阶段，即近几年，巷旁充填材料得到了革新，由第三阶段的高水充填材料转变为膏体充填材料。利用膏体材料充填，再采用合适的工艺和设备进行充填能成功完成留巷，并实现煤与瓦斯共采，避免瓦斯堆积，从而大幅度地减小了瓦斯爆炸的风险。

在理论研究和现场实践方面，我国对沿空留巷的研究取得了大量的成果。利用理论、数值模拟、现场实测等方法，我国的学者不仅确定了合理的留巷位置，还计算出了巷旁支护阻力临界值和巷旁充填墙体最优充填长度，并得出了加强煤壁支护能有效控制围岩变化的结论，同时还解决了沿空留巷中存在的许多问题。如，通过刷帮解决刷帮前巷道不能被下一区段工作面使用的问题。除上述内容外，我国学者的研究成果还包括深浅、倾角、煤厚对巷旁支护材料选择的影响，不同情况下有效巷旁支护方案的制定，钢管与混凝土联合的支护方式等等。

1.2 国外

国外对沿空留巷的研究起步较我国更早，进行了大量的研究工作后，国外在沿空留巷方面也取得许多成就，值得一提的是，由于不同国家在这方面的研究目的不尽相同，其取得的成就也存在一些差异。如，前苏联、英国等一些注重一次能源利用率的国家最早提出并采用无煤柱护巷的开采方式，这些国家在留巷围岩变形机理，巷内、巷旁支护这几方面进行了深入地研究，并对新材料墙体开展了大量研发工作。早在20世纪60年代，前苏联就已经开始推广沿空留巷技术，并根据具体的矿区特点对巷旁支护材料进行选择。沿空留巷技术的适用对象主要是薄层、中厚层煤层，顶底板岩性较硬的煤层。B.胡托尔诺依，一名苏联学者，提出了压悬梁理论，建立了压悬梁力学模型，进而推导出了巷旁支护阻力的计算公式。德国更重视煤矿开采通道的循环使用，西德时期其在煤矿中应用的多种巷旁充填材料都发挥了良好的应用效果。

2 切顶卸压在沿空留巷中的作用

通过LS-DYNA数值模拟与理论相结合的方法，陈勇等学者对导向孔对应用于厚层坚硬顶板的切顶卸压手段的作用，得出了导向孔螚显著影响顶板预爆破效果的结论。采用理论分析、数值模拟、现场实测这些手段对切顶卸压技术在薄煤层沿空留巷的应用进行深入探究后，孙晓明等学者发现，切顶高度、角度，爆破孔隙间距都会对薄煤层切顶卸压沿空留巷产生重要的影响作用。白皎矿瓦斯突出、煤层赋存条件复杂，难以开采的问题在张国锋等学者的努力下得到了解决，这些学者采用的技术主要有切顶卸压沿空留巷、Y型通风、瓦斯抽采。王维维等学者成功解决了切顶卸压沿空留巷中顶板难以控制、生产接替紧张等问题。

3 上覆岩层的分类

推进工作面后，上覆压力会对冒落带产生作用，使其垮落，如果碎胀性系数较高，可以比较容易地完全充填采空区，将矿压转移到采空区侧，从而减弱巷道围岩应力。如果冒落带的岩层岩性较硬，则不会被上覆压力作用至垮落，而容易造成大面积悬顶，当冒落带达到极限跨断长度时突然断裂，给工作面造成强大的冲击压力，这一现象很容易造成事故。冒落带在工作面推进后是否能够自行垮落主要取决于冒落带岩层的岩性、冒落带的高度和冒落带岩层的完整程度。

裂隙带内的坚硬岩层承担了裂隙带的主要压力，坚硬岩层的上部覆盖了软弱岩层，工作面推进后，上覆盖压力不断增大，当坚硬岩层承受的压力超过其最大承受能力时会断裂，断裂的岩块在水平推力的作用下会形成铰接结构。裂隙带铰接结构能将裂隙带受到的上覆压力计自重重力转移向采空区的冒落矸石，从而使工作面不出现明显的矿压现象。裂隙带是否存在铰接结构的决定因素是裂隙带是否存在坚硬岩层。坚硬岩层上覆盖的软弱岩层的跨段节奏与坚硬岩层的跨段节奏一致，以煤层上方第一岩层为基础，由组合梁理论和相关公式可做出以下判定：当第二层对第一层作用载荷比第一层自身载荷小时，第二层为硬岩层；在此基础上以第二层为基础进行判定，以此类推，则可判断出工作面覆岩中存在的所有坚硬岩层。

将冒落带岩层是否能够自行垮落并是否能够充填满采空区，裂隙带内是否有坚硬岩层作为2个判定因素，则可将上覆岩层分为4类。Ⅰ类，冒落带岩层能自行垮落并充填满采空区，裂隙带内存在坚硬岩层；Ⅱ类，冒落带岩层自行垮落困难，或是仅少量岩层会自行垮落，不能充填满采空区，但裂隙带内存在坚硬岩层；Ⅲ类，冒落带岩层自行垮落困难，或是仅少量岩层会自行垮落，且裂隙带内不存在坚硬岩层；Ⅳ类，冒落带岩层能自行垮落并充填满采空区，但裂隙带内不存在坚硬岩层。若覆岩结构为Ⅰ类，巷道围岩应力将转移至才采空区侧，裂隙带容易形成铰接结构，巷道维护与其他几类相比最容易。若覆岩结构为Ⅱ类，则冒落带容易出现猛然断裂的情况，造成较大的冲击压力，为了降低工作面支护工作的难度，除了裂隙带铰接结构的作用，还应采用人工切顶方法，并对覆岩进行人工放顶，让矸石充填采空区。若覆岩结构为Ⅲ类，由于采空区不能被冒落带充填满，同时裂隙带又不能形成铰接结构，工作面的支护工作与其他几类相比难度最大。若覆岩结构为Ⅳ类，采空区会被垮落的冒落带矸石充填满，因此，尽管裂隙带不能形成铰接结构，依然会以载荷负载在冒落带内，但采空区容易形成自然拱结构。

4 切顶卸压沿空留巷技术

切顶卸压沿空留巷是一项新的留巷工艺，它更是一项系统性的工程，这项工程的实现和完成是随着工作面的推进而进行的。切顶卸压沿空留巷技术的主要内容如下：首先，开采工作面之前，那些要准备进行切顶卸压沿空留巷施工的巷道需要被加固支护，并进行顶板预爆破定向切缝，以便将这些巷道与采空区顶板一定深度内存在的联系切断；其次，在进行工作面回采时，已经进行顶板定向预爆破操作的巷道逐步进入采空区，利用老顶来压，使采空区顶板断裂下沉，自动成巷；最后，预留机巷，将其作为下一工作面的风巷。

4.1 支护方式

切顶卸压沿空留巷技术保留的巷道会受到2次剧烈的采动影响，分别是掘进和采煤造成的影响，这2次剧烈的采动影响会使得矿压剧烈显现，以矿压显现普遍规律和白皎煤矿自身矿压显现特点为依据进行研究分析，可以得出联合支护的总体思路，由于井下的地质条件比较复杂，而采场推进过程会改变上覆岩层的赋存情况，进而使覆岩出现有规律的运动，应采用“巷内基本支护”+“巷内加强支护”+“动压临时支护”的联合支护方式。

4.2 切顶原理

切顶卸压技术指的是为了切断预留巷道与采空区顶板一定深度内存在的联系而对沿空留巷顶板进行定向预爆破，从而使采空区老顶来压时预留巷道受到的不利影响减少。切顶卸压技术的爆破是通过双向聚能张拉爆破装置实现的，这一装置是一种新型的聚能装置，它的本质其实就是聚能管。这个装置是传统爆破装置的一个延伸装置，是为了适应双向聚能拉张成型爆破技术而专门研发出的产品。双向聚能张拉爆破与其他控制爆破存在的最大区别就是利用双向聚能装置在断裂方向集中拉应力，利用此应力实现岩体的断裂。双向聚能张拉爆破装置的优点主要有2个。第一，能使预定方向的岩石实现预裂爆破。第二，对于非预定断裂方向的岩体，能保持其完整性，从而保持预留巷道顶板完整性。

4.3 切顶卸压沿空留巷力学原理

推进工作面，坚硬的直接定初次垮落使得采空区形成悬顶，随后发生周期性断裂垮落。以李鸿昌教授在坚硬顶板力学模型的相关研究理论为依据，可将坚硬顶板简化为一个悬臂梁，悬顶区内的基本支柱的支护作用则可简化为三角形分布。在此基础上对顶板进行力学分析研究可得，沿空留巷巷旁支护阻力满足某些特定条件时，坚硬顶板会在巷旁支护处断裂。为此，选择高强材料作为巷旁充填体，并选择高阻力材料进行支护，可以实现对坚硬顶板的有效控制，增强巷道稳定性，降低巷道维护难度。

5 小结

将切顶卸压沿空留巷技术广泛推广应用，不仅能有效解决西南片区煤矿采掘工作面中存在的一些难题，大大降低煤矿采掘的瓦斯风险，降低劳动强度，优化煤矿开采的安全效益，还能提高煤矿采掘的经济效益。为此，对切顶卸压沿空留巷技术及其应用进行研究具有重要的现实意义。