一次采全高综采工作面切顶卸压沿空留巷技术

陈立军

(河南能源化工集团新疆投资控股有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026)

随着我国煤炭产业的不断发展，矿井开采深度不断加大，煤层赋存也越来越复杂，传统的留煤柱开采技术往往会出现应力集中现象，导致巷道变形严重，容易引发冲击地压等地质灾害，难以维护，影响生产，造成安全隐患[1，2]。同时传统的留煤柱开采回采“1”个工作面需要掘出“2”条巷道，保留“1”条区段煤柱，造成矿井掘进成本高、采区万吨掘进率大、回采速度低、接续紧张等问题。沿空留巷技术是现阶段矿井常用的无煤柱护巷技术，主要是随工作面回采推进，利用巷旁充填等手段，沿采空区边缘维护保留原回采巷道，从而取消护巷煤柱，作为下区段工作面回采巷道使用[3，4]。国内外学者针对该技术进行大量的理论与实践研究，在沿空留巷围岩活动规律及顶板控制、巷旁支护技术、巷旁充填技术等方面都取得大量成果。但目前普遍采用的充填沿空留巷开采技术主要以巷旁充填支护形式为主，并没有改变顶板岩层的传力结构，充填体作为主要承载结构承受顶板较大的作用力，往往导致沿空留设的巷道变形严重，最终造成巷道维护费用高、存在安全隐患等问题[5-8]。为此，结合塔河矿业榆树泉煤矿生产现状，提出了一次采全高综采工作面切顶卸压沿空留巷技术，并对其应用结果进行分析，以便提升矿井安全生产水平。

1 工程概况

1.1 工作面概况

榆树泉煤矿1014综采工作面是下10煤层第3个综采工作面，整个工作面呈不规则的长方形布置，回采面倾斜长度175m，工作面上巷长2846m，下巷长2754m。1014工作面煤层煤厚3.6～4.5m，平均煤厚4.05m，煤层倾角9°～16°，平均倾角12°。

1014工作面采煤方法为走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法，全部垮落法管理顶板。在1014工作面上巷进行切顶沿空留巷，留巷段为长度为500m，留巷完成后服务于其南部临近的1012工作面。

1.2 巷道顶底板岩性及支护概况

1014工作面上巷(留巷段)顶板为厚度14.2m的细砂岩，基本顶为厚度32.2m的细砂岩及含砾粗砂岩。工作面巷道底板为厚度5.1m的细砂岩，基本底为厚度6.2m粉砂岩。巷道的顶底板及围岩属不稳定型。

1014工作面上巷原巷道设计为梯形断面，掘进宽度5.08m，净宽为5.0m，净中高不低于3.2m，掘进断面为16.3m2，净断面为16.0m2。顶板采用螺纹钢锚杆、金属网支护，帮壁采用树脂锚杆、塑料网支护，顶锚杆间排距为1000mm×1000mm，上下帮锚间排距1000mm×800mm，顶锚杆采用∅18mm×1800mm螺纹钢锚杆，帮锚杆采用∅16mm×1600mm树脂锚杆，顶板布置六排螺纹钢锚杆，采用“锚网+锚杆”联合支护。

2 切顶卸压沿空留巷技术

2.1 恒阻锚索加固支护参数设计

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。为使恒阻锚索充分发挥其支护性能，并避免预裂爆破和顶板垮落对其造成的影响，恒阻锚索的长度一般要大于预裂切缝爆破高度超过2m，并确保锚固端位于较稳定岩层内。考虑到顶板岩层分布、巷道原有支护参数情况，恒阻锚索设计长度最终选择为12.3m。

无煤柱自成巷开采技术区别于原有的留煤柱开采，在垮落位置与时间上无煤柱自成巷是确定的，在工作面推进过后，顶板岩石从裂缝线处开始垮落和岩石的移动；在垮落高度上，无煤柱自成巷开采技术是平衡开采、是充分开采，顶板的“两带”高度较原来工法降低，所以在12.3m的恒阻锚索锚固范围内不会对恒阻锚索的预紧力存在影响[9-13]。

1014工作面上巷共布设2列恒阻大变形锚索，第一列恒阻锚索距切缝钻孔400mm(距回采侧煤帮500mm)，排距1000mm，相邻锚索之间使用3000mm×300mm×5mm的W型钢带连接；第二列恒阻锚索沿巷道中线布置，排距2000mm。1014上巷恒阻锚索补强支护及切缝钻孔布置如图1所示。

图1 1014上巷恒阻锚索补强支护及切缝钻孔布置

2.2 顶板预裂爆破施工工艺

顶板预裂爆破采用双向聚能预裂爆破技术，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，而在设定方向上集中受拉，依靠岩石抗压怕拉的特性，使岩石按设定方向拉裂成型，从而实现岩体按设定方向张拉断裂成型[14，15]。

2.2.1 切缝钻孔深度与间距

预裂切缝钻孔深度与采高、顶板下沉量及底鼓量有关，一般通过如下方式确定：

H缝=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

式中，ΔH煤为工作面采高，m；ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底鼓量，m；K为碎胀系数，根据顶板岩性，K取1.4。

在不考虑底鼓及顶板下沉的情况下，工作面采高取最大值4m时，综合考虑顶板岩性及以往施工经验，确定预裂切缝孔深度为H缝=10m。切缝孔距巷道回采侧帮100mm，切缝面与铅垂线夹角为15°，切缝孔间距为500mm。

2.2.2 爆破工艺参数

根据设计方案进行单孔试验，确定合理的装药量和封泥长度，再进行间隔爆破，观察两相邻装药孔间窥视孔内裂纹情况，如两相邻装药孔间窥视孔裂纹未达到裂缝率要求标准，再进行一次连续爆破试验，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，特制聚能管内径为36.5mm，外径为42mm，管长1500mm。聚能爆破采用矿用三级乳化炸药，炸药规格为直径∅32mm×200mm，采用炮泥封孔，封孔长度不小于2.0m。1014综采工作面上巷参照其他矿井施工经验按照至少超前工作面50m进行预裂切缝爆破。

2.3 坚硬顶板切顶方案

由于1014工作面上覆砂岩较硬，当支架后方采空区悬顶距离过大或者采空区垮落矸石块度较大时，为防止砂岩顶板的应力集中和巷道向采空区漏风，应在原顶板预裂钻孔的基础上，向工作面顶板施工扇形孔，采用深孔松动爆破的方式，对综采工作面坚硬砂岩顶板进行弱化处理，充分预裂及松动顶板，使工作面回采后采空区顶板垮落及时且充填密实。

每2个松动爆破钻孔为1组，孔深依次为11m、14m，与铅垂线分别呈30°、45°夹角(偏向采空区)，相邻两组松动爆破钻孔的间距为5m，松动爆破钻孔布置如图2所示。深孔松动爆破钻孔使用深孔钻机ZDY1900S进行施工，钻头直径为∅94mm。

图2 留巷段顶板深部松动爆破扇形钻孔布置(mm)

本次设计的松动爆破钻孔顶部装填矿用三级乳化炸药长度3000mm，药卷规格为∅32mm×200mm，为保证爆破效果和安全，封孔长度取6m。为了保证安全，简化操作，并使装药充分引爆，保证起爆的可靠性，每一个炮孔的炸药串由两根毫秒延期电雷管起爆，每次只准起爆一组炮孔。充填堵孔应采用黄土细砂等塑性材料，以保证爆炸气体不冲出孔口并对岩体产生持续的作用，充分利用炸药能量，提高超前松动爆破效果。

在1014综采工作面上向工作面顶板施工扇形深孔松动爆破钻孔对顶板进行弱化处理，后期根据跟踪观测深孔爆破后顶板垮落的情况，及时调整深孔松动爆破钻孔的参数，确保达到最佳效果。

3 效益分析

3.1 技术效益

1)该技术应用于1014大采高综采工作面，开拓了切顶卸压无煤柱自成巷道掘进采煤应用新领域，引领矿业技术变革向前推进。

2)形成了大采高开采110工法现场生产新工艺，完善110工法技术工艺。

3)结合现场实际情况，优化支护参数，提出了适应坚硬顶板条件下110工法的合理支护和设计方法。

4)改变和优化经典的围岩分布规律，围岩变形量、巷道底鼓量大大减少；工作面及巷道围压大幅度减少；由于切缝技术，采动期间超前压力大幅度减少；降低了围岩应力集中问题，提高因其受限的工作面推进速度，降低了万吨掘进率。

3.2 经济效益

1)节约巷道掘进成本。采用切顶卸压无煤柱自成巷开采技术，工作面可少掘一条巷道，按照榆树泉煤矿1014工作面剩余1000m工作面计算，采用新技术可减少掘进巷道1000m，按照4000元/m计算，节约成本400万元，同时，还可以相对减少掘进施工单位人员的工作分配量，减少队伍数量，减少掘进机、连采机购置和维护费用，从而节省大量掘进开支，有利于矿井总体效益的提高。

2)提高煤炭回收率。采用切顶卸压无煤柱自成巷开采技术无需留设煤柱，按照榆树泉煤矿传统采煤方法每个工作面之间需留设煤柱约30m，按采高4.05m计算，采用新技术每米巷道可多回收煤炭资源157.95t；按照吨煤市场价格600元/t计算，每米巷道可增加收益9.477万元。

3)减少巷道支护成本。通过采用切顶卸压无煤柱自成巷开采技术，将“切顶短臂梁”理论应用于现场实践，通过在采空区侧定向切顶，切断部分顶板的矿山压力传递，进而利用顶板岩层压力，同时利用顶板部分岩体，使巷道顶板形成短臂梁，减小围岩应力集中，减弱顶板周期性压力，保证巷道围岩稳定性，从而可以优化支护参数，减少巷道支护和维护成本，提高生产效益。

4 结 论

1)采用切顶卸压无煤柱自成巷开采技术，可以效地降低工人劳动强度；少掘一条巷道，从而直接降低了巷道掘进事故的发生，同时极大缓解矿井采掘衔接矛盾，提高了煤炭回收率，有利于生产集中化和高产高效；切顶卸压后，降低了工作面一定范围内的周期压力和巷道内的压力，从而提高了生产安全性。

2)一次采全高综采工作面切顶卸压沿空留巷技术是从新理论—设计方法—施工工艺—现场示范形成的新工艺，为该技术向国内条件类似矿井推广奠定了基础。试验成功后每个工作面可以少掘一条回采巷道，降低巷道掘进率，缓解矿井采掘矛盾，提高矿井产量；取消煤柱，提高煤炭回收率，延长矿井服务年限，实现煤炭资源完全开采；利用岩体碎胀特性减少地面裂缝，有利于矿区地表生态的保护；有效缓解矿井冲击地压难题，真正实现现代化高产高效矿井生产。