切顶卸压支护技术在漳村煤矿应用

何 良

(潞安环能股份公司 漳村煤矿，山西 长治 046032)

我国煤矿回采巷道的布置方式采用沿空掘巷越来越广泛，沿空巷道的支护效果和留设的煤柱尺寸有关，煤柱过宽利于巷道维护，但浪费资源，煤柱过窄，巷道位于上区段已回采工作面的应力升高区，巷道顶板岩层回转垮落需要6个月左右时间，不利于矿井的正常生产接替。漳村煤矿经过60多年的开采，可采煤炭储量已近枯竭，为提高资源回收率，保证工作面的正常接替，减少巷道支护成本投入，延长矿井服务年限，漳村煤矿在26采区2601工作面风巷提出了超前切顶卸压沿空掘巷技术，改善了围岩应力环境，支护效果明显。

1 工程概况

漳村煤矿26采区位于+480 m水平中部， 2601工作面东面为25采区，西面为27采区，南面为+480 m水平开拓大巷，北面为井田边界。开采煤层为下二叠统山西组下部的3号煤，煤层结构简单，煤质为贫煤。

根据地质资料显示，工作面中部的向斜构造为其主要控制构造，轴部倾伏方向为SW，两翼坡度为4～6°，受其影响，工作面显示为中间低，两边高，平均高差为30 m。2601工作面风巷断面设计为矩形，巷宽5.2 m、高3.5 m；沿空掘巷2603风巷位于2601工作面东侧，与2601风巷平行布置，间距15 m(中-中)，巷宽5.6 m、高3.8 m。

2 切顶卸压沿空掘巷围岩控制原理

利用“定向断裂切顶卸压围岩控制原理”，即在上区段工作面下顺槽煤帮侧沿巷道轴向全长预先断裂成缝，老顶能随工作面推移而及时沿预裂缝切落下来，切断 A 岩块和 B 岩块的层间联系，为窄煤柱沿空巷道围岩控制提供良好的应力环境。其作用有两个:其一，促使采空区顶板及时沿裂缝垮落下来，老顶垮落触矸提早趋于稳定，减少老顶残余支承压力影响时间；其二，促使上下区段老顶失去横向联系，减少“弧形三角板”B 块回转失稳的影响，避开残余支承压力的影响区域。因此，在相邻工作面巷道切顶卸压之后，在压力值明显减小的煤层中掘进巷道，巷道支护成本和支护难度将大大降低。

3 切顶卸压支护关键技术参数

3.1 切顶高度

窄煤柱沿空掘巷切顶高度公式为：

式中：Hm为断顶高度，m；hi为顶板分层厚度，m；M为采高，3 m；Kp为垮落矸石碎胀系数，取1.2 m。

经计算断顶高度Hm=15 m。结合切顶卸压原理和老顶厚度，确定最终切顶高度为20 m。

3.2 切顶角度

为了模拟采动过程中顶板的破断及切顶参数对沿空掘道围岩稳定性的影响，揭示岩体内部的变形破坏机理，结合现场地质条件，采用三维离散元软件3DEC，分析切顶角度对巷道顶板卸压的影响，研究角度分别为-10°、-5°、0°、5°、10°和15°。

从老顶监测曲线对比可以看成：老顶垂直应力分布曲线突然下降的位置就是老顶预裂位置，表明人工定向预裂切顶卸压控制技术可以有效地切断老顶层间的应力传递，将老顶长悬臂结构切断形成短悬臂，切落的岩石由于碎涨作用支撑处于弯曲下沉的上覆岩层。对比分析不同切顶角度对老顶垂直应力的影响曲线，当切顶角度为-10°、-5°和0°时，垂直应力下降的位置分布在2601回风巷左侧，这个角度进行人工预制裂缝时，老顶岩层水平铰接形成结构，并不利于老顶切落，导致老顶垂直应力偏高。当切顶角度为5°和10°时，老顶垂直应力分布曲线近似，但垮落形态有所区别，角度为10°时更有利于老顶切落后发生旋转垮落。当切顶角度为15°时，随着切顶角度的增加，更有利于老顶发生旋转垮落，但从应力曲线可以看出，老顶应力不稳定且明显偏高，表明切顶角度越大，老顶上部岩层悬臂长度越长，导致煤柱应力增加。模拟结果表明切顶角度为10°时，更有利于顶板岩层沿预制裂缝垮落，有助于使岩层沿预制裂缝垮落，如图1所示。

图1 不同切顶角度上覆岩层垂直应力监测曲线

3.3 预裂爆破参数

1) 炮孔间距。根据现场试验，深孔预爆破弱化顶板两孔之间最大作用范围为2 m。

图2 爆破钻孔布置示意

2) 爆破时机。为了达到预期的效果，即在来压时顶板能沿着预制裂缝垮落，而且不影响工作面的正常推进，打孔、爆破和回采在工艺上必须相互协调。参考2601工作面初次来压步距和周期来压步距，在工作面超前30 m进行预裂爆破，保证采空区顶板在周期来压作用下，能够沿着预制裂缝切落。

3.4 超前支护

超前支护采用“锚索悬吊梁”加强支护。

1) 锚索规格。材料为D22 mm×9 300 mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线锚索，排距1 800 mm，锚索托盘采用300 mm×300 mm×16 mm高强度平托板及配套球垫、锁具。

2) 悬吊梁规格。悬吊梁采用矿用11号工字钢加工，长度为3 500 mm，布置有2个锚索孔，孔间距为1 800 mm，在锚索孔位置用14 mm方形钢板垫片加固。在2601风巷顶板靠近煤柱侧500 mm处沿巷道方向采用锚索悬吊梁加强支护，如图3所示。

图3 巷道围岩加强支护(mm)

4 切顶卸压支护效果

现场打钻及窥视效果如图4所示。从图可以看出，定向预裂爆破具有良好的定向作用，孔内沿两侧形成贯通裂隙，保护孔壁非定向位置的完整性，起到了人工定向预裂爆破的效果。

图4 现场定向预裂爆破效果窥视

5 结 语

漳村煤矿2601风巷和2603进风巷采用定向预裂切顶卸压控制技术后，有效减少了巷道围岩变形量，减轻了煤柱承担的上覆岩层载荷，使围岩应力集中向深部区域转移，从而优化围岩应力环境，降低了巷道的维护成本。切顶卸压沿空掘巷技术在实施过程中，巷道顶板下垂、片帮、底鼓及冲击矿压等现象得到明显改善。项目实施以来，巷道施工累计长度1 350 m，返修材料费按照3 000元/m，人工费按照1 200元/m计算，巷道维修费共计节省567万元。该技术不仅在整个潞安矿区具有广泛的应用前景，而且在国内类似条件的矿区也有重要的借鉴意义和推广价值。