益新煤矿43073工作面缓倾斜煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究

孙锦华

摘 要：益新煤矿与中国矿业大学（北京）合作，在三水平北一石门7号层三段（43073工作面）回风巷实施切顶卸压无煤柱自成巷技术适应性应用试验，该试验对自成巷工艺流程及作用机理进行了改进和实践，同时作为全国首例在煤层倾角18°条件下留设上巷回风巷的切顶成巷技术试验应用，研究针对试验顺槽进行了切顶关键参数优化设计，于现场进行了成功实地工程试验。试验结果表明：矩形巷道段最终顶底板移近量为600mm，两帮移近量为750mm，拱形巷道段最终顶底板移近量为459mm，两帮移近量为520mm，留巷变形量较小，可以满足相邻工作面回采需求。

关键词：切顶卸压;自动成巷;恒阻大变形锚索;缓倾斜

中图分类号：F403.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）07-0183-02

0 引言

现阶段，由于科学技术的发展，不仅国外地下采煤的机械化程度提高，国内的机械化程度也不断发展，所以现在煤炭产量呈现出每年增长的局面，但是伴随而来的煤炭浪费现象也非常严重[1]。现在井工矿依旧沿用传统的开采方式，即留设煤柱，这种开采方式有着很多缺点，比如说浪费煤炭资源，以及巷道掘进的工作量增加等，严重制约了矿井煤炭采出率的进一步提高，因此亟需优化改进。

何满潮院士在2008年提出了“切顶短臂梁理论”以解决上述问题，并在白皎煤矿进行了实验，首次实现近水平条件下的切顶卸压自成巷无煤柱开采技术[2]。经过近几年的试验应用，切顶卸压无煤柱自成巷技术获取了大量研究成果，如高玉兵等通过建立力学模型，分析研究沿空切顶巷道围岩结构演化过程和力学作用机制机理，提出了切顶成巷稳定性控制体系[4];孙晓明等采用数值模拟和工程试验相结合的研究方法，对薄煤层切顶卸压沿空留巷切缝角度、切缝高度等参数进行研究[3];何满潮等基于切顶短臂梁理论，分析无煤柱切顶自成巷技术原理，综合运用理论分析、数值模拟及现场实测，研究了无煤柱自成巷聚能爆破机制，对工作面和巷道矿压分布进行区段分析。众多学者的研究均集中针对近水平煤层条件，而对于缓倾斜煤层地质条件下切顶卸压自成巷技术的研究相对欠缺。为进一步完善切顶卸压无煤柱自成巷技术体系，本文以益新煤矿43073缓倾斜煤层作为工程实例，对该典型条件下的留巷工艺及效果进行总结、分析，研究成果对切顶卸压自成巷技术的进一步推广和优化具有一定借鉴意义。

1 切顶成巷机理及工艺流程

在何满潮院士的“切顶短臂梁理论”下，进一步提出了切顶卸压自成巷无煤柱开采技术，该项开采技术的原理是：对预留煤矿开采的巷道顶板进行加强支护，所采用的锚索为恒阻大变形锚索，为了使得采空区顶板，以及煤矿巷道顶板两者之间形成切缝结构面，以此将两者的应力传递路径顺利断开，需要沿着工作面将采空区侧顶板进行超前预裂切缝，这样，便能够改变留巷顶板的受理结构，使其从长臂梁转为短臂梁。在工作面回采之后，采空区切缝高度范围内的岩层在来压作用下沿切缝面垮落，从而形成巷帮，以此便形成了无煤柱自动成巷。切顶留巷技术原理图见图1。

上文介绍了切顶成巷机理，依据现场具体的实验情况，归纳了相对应的工艺流程，总结步骤如下：第一步，施工恒阻大变形锚索，以此完成对留巷顺槽顶板补强支护;第二步，在工作面前方一定距离内切割缝孔，实施双向聚能爆破，以此促进顶板切缝的形成;第三步，布置架后临时支护以及挡矸支护，注意要用单体支柱进行临时支护;第四步，采空区顶板沿着切缝面逐渐垮落压实并形成巷帮，等到巷道逐渐稳定以后，将临时支护逐一撤回，留巷工作便完成了。

2 工程概况及关键参数设计

2.1 工程概况

试验工作面43073工作面倾斜长度为150m，走向长度为390m，采高3.6m，全工作面平均煤层倾角为18°，工作面地面标高为270～364m，工作面标高为-170～210m，埋深范围为440～574m。巷道顶底板岩性分布：直接顶为细砂岩和粉砂岩，厚度分别为1.45m和1.2m;直接底为细砂岩，厚度6m;基本顶为中砾岩，厚度5.5m;基本底为粗砂岩，厚度19.3m。

2.2 关键参数设计

对切顶高度的参数以及切顶角度参数进行确定。

预裂切缝高度临界的公式为：

（1）

在该公式中，H缝代表着预裂切缝高度;ΔH1代表着顶板的下沉数量，单位是米;ΔH2代表着底臌数量，单位是米;K代表着碎涨系数，一般情况下会在1.3-1.5的范围内取值。依据顶板钻孔的具体情况，碎涨系数取1.4。根据益新煤矿的资料可以得知，该煤礦的煤层厚度小，工作面的采高一级设计切缝的深度取值，可以不考虑底臌及顶板下沉的情况，数值分别为3.6米和9.0米。

在设计过程中，为了降低切落顶板掉落的时候对留巷顶板的作用力，也为了让切缝顶板在掉落的过程中更加顺利，切缝孔要和铅垂线形成一定夹角，该项施工的切缝角度取值为10度。

3 现场应用效果

3.1 成巷施工过程

根据上述工艺分析及切缝关键参数设计，于现场实施切顶卸压无煤柱自成巷试验。主要实施过程分为恒阻锚索支护、切缝预裂爆破、临时支护三个部分。按照断面形状不同，将43073留巷顺槽分为前150m矩形巷道和后210m拱形巷道两段。

煤矿的巷道顶板在切顶留巷过程中，会遭到多方面的动压影响，包括巷道掘进、初次来压、巷道复用回采等。所以，要运用恒阻大变形锚索来加强巷道顶板的支护，从而确保成巷过程以及二次服用阶段，巷道顶板围岩的坚固和稳定程度。

本试验中恒阻大变形锚索垂直于顶板方向布置，矩形断面巷道在原支护基础上共布设2列，第一列恒阻锚索设计距原巷帮500mm，间距1000mm，第二列恒阻锚索位于巷道正中央，间距2000mm;拱形断面巷道位于巷道正中央布设一列恒组锚索，间距1000mm。，为提高顶板的整体强度，靠近切缝侧第一列恒阻锚索相邻锚索之间用W钢带连接（平行于巷道走向）。

双向聚能张拉爆破关键技术是顶板预裂切缝。该技术通过炸药和聚能管的结合使用，爆破后可在两个设定方向上形成聚能流，并产生集中张拉应力，进而实现顶板岩体预裂。此次是在现场试验的基础上，根据对实验结果总结分析得到预裂装药结构为4+3+2+1，封泥长度为3m，炮孔间距为500mm，采用三级煤矿乳化炸药，炸药规格为Φ28×200mm/卷。

为使留巷在复用期间能够满足正常生产使用需求，留巷需维持一定宽度。工作面开采一定距离后，顶板逐渐开始发生垮落，且从垮落到顶板稳定需要一定的时间，因此距工作面较近的架后区域在顶板原有支护的基础上，还需临时补强支护。根据现场监测结果，于43073工作面架后200m范围留巷段内进行临时补强支护。

矩形断面巷道内采用单体液压支柱临时补强支护，单体与碎石帮距离依次为1000mm、2000mm、3400mm、4200mm。成巷稳定后，可将临时支护单体液压支柱撤掉，将切顶卸压支架移到架后进行支护，只保留U型钢进行挡矸。

拱形断面巷道内同样采用单体液压支柱进行临时补强支护，但由于拱形断面顺槽采用U型棚支护，对两帮具有一定支护效果，因此不再额外实施U型钢挡矸支护。

3.2 成巷效果分析

通过切顶卸压无煤柱自成巷开采技术的应用，益新煤矿43073工作面辅运顺槽留巷成功实施。留巷过程中采用双十字测点法对巷道顶底板移近量及两帮移近量进行监测，监测测站距离切眼50m，位于矩形段内，监测测站距离切眼180m，位于拱形段内。根据监测结果可以看出，根据顶底板及两帮移近量变化的快慢可将顶板下沉过程分为两个阶段：第一阶段为从开始开采到工作面推进至相应测站前30m处的区间，此阶段顶板移近量变化较快，呈现“陡增”趋势;第二阶段为从工作面位于相应测站前30m处直至数据采集结束，该阶段顶板仍然会出现持续下沉，但是下沉速率较第一阶段更为缓慢。最终矩形断面巷道顶底板移近量600mm，两帮移近量750mm;拱形断面巷道顶底板移近量459mm，两帮移近量520mm。拱形断面巷道移近量小于矩形断面巷道，且两种留巷断面均可满足43072工作面复采需求。

4 结论

（1）以益新煤矿缓倾斜煤层43073工作面作为工程实例，进行切顶关键参数设计，得到关键参数：切顶深度9m，切顶角度10°。

（2）以切顶关键参数为依据，最终矩形断面巷道顶底板移近量600mm，两帮移近量750mm，拱形断面巷道顶底板移近量459mm，两帮移近量520mm，拱形断面巷道移近量小于矩形断面巷道，且两种留巷断面均可满足43072工作面复采需求。

参考文献

[1] 薛毅.从传统到现代：中国采煤方法与技术的演進[J].湖北理工学院学报（人文社会科学版），2013，30（5）：7-15.

[2] 何满潮，宋振骐，王安等.长壁开采切顶短壁梁理论及其110工法—第三次矿业科学技术变革[J].煤炭科技，2017（1）：1-9.

[3] 马新根，何满潮，王炯等.雁崖煤矿8304工作面沿空留巷条件下切眼后方硐室支护设计研究[J].煤炭科技，2017，36（12）：30-33.

[4] 高玉兵，郭志飚，杨军等.沿空切顶巷道围岩结构稳态分析及恒压让位协调控制[J].煤炭学报，2017，42（07）：1672-1681.

[5] 孙晓明，刘鑫，梁广峰等.薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参数研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（7）：1449-1456.