链臂锯切割造缝切顶卸压技术及应用

刘锦荣，姚强岭，贾 渊，马军强，夏 泽

(1.大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

大同矿区是我国典型的坚硬顶板矿区[1]，目前正在开采的石炭系煤层顶板坚硬且完整，工作面回采后基本顶不能及时垮落[2，3]，甚至形成永久性的悬臂结构，对沿空掘巷的围岩支护十分不利[4，5]，因此有必要在上区段工作面回采过程中沿煤柱对巷道顶板构造人工的结构弱面，实现切顶卸压，使得工作面回采过后顶板能够及时垮落采空区，减小由于侧向悬臂结构施加于巷道围岩的载荷，降低沿空巷道控制难度。

切顶卸压技术是通过人工干预的方式，有目的地弱化或者破坏顶板岩层的结构完整性和改变顶板岩层的强度特性，使得顶板岩层的强度大幅度下降，达到切断坚硬顶板、改变巷道围岩受力状态的目的。

何满潮等对无煤柱自成巷切顶爆破关键参数设计方法进行了总结和优化，提出了无煤柱开采切顶卸压自成巷技术并且提出了切顶爆破设计的系统化流程及方法[6，7]；Chen研究了深孔爆破技术控制坚硬顶板的卸压机理[8]；张自政等通过数值计算手段研究了浅孔爆破有效应力的演化和传播规律，并结合理论计算推导确定浅孔爆破的相关参数[9]；陈勇等分析了导向孔在浅孔爆破卸压过程中的作用机理，探究了爆破参数与爆破效果的之间的关系[10]；张农等提出了沿空留巷顶板深孔爆破预裂卸压机理[11]；张书军[12]等针对厚硬顶板工作面高强度来压致灾事故频发等问题，通过预裂爆破切顶措施降低工作面来压强度，黄炳香等提出了水力压裂技术弱化控制坚硬顶板的理论和控制沿空巷道强矿压显现等方面的成套工艺技术体系[13-16]；于斌等通过开展水力压裂弱化煤层上覆坚硬顶板，解决了沿空巷道强矿压显现的问题[17]；吴拥政研究了通过定向水力压裂技术弱化坚硬顶板、改善围岩应力以解决沿空巷道的强矿压问题[18]，刘爱卿[19]、杨健[20]针对高应力巷道维护困难问题，通过实施水力压裂切顶卸压，改善了巷道围岩所处的应力环境状态，降低了巷道围岩控制的难度，在现场取得了良好的应用效果。

由于聚能爆破切顶卸压技术和水力压裂切顶卸压技术存在施工工艺复杂、进度慢和安全性等问题，根据同煤集团开发的链臂锯切割造缝切顶卸压技术，研究了链臂锯切断顶板后巷道围岩应力的时空演化规律，对链臂锯切顶卸压技术的推广应用具有指导意义。

1 工程概况

8311工作面为塔山煤矿三盘区下阶段的主采工作面，为保证正常采掘接续和提高煤炭资源采出率，在8311工作面回采结束前完成8312工作面2312巷的掘进工程，8311工作面与8312工作面间仅留设6.0m小煤柱，采掘工程布置方案如图1所示。

图1 采掘工程布置方案

塔山三盘区8311工作面主采山4#煤层，其地表最大标高为1526m，最小标高为1415m，工作面标高993～1010m。8311工作面顶板中存在坚硬、完整的厚岩层，山4#煤层顶板情况如图2所示。

图2 8311工作面岩层柱状

8311工作面顶板覆岩中存在坚硬、完整的厚岩层，8311工作面回采过程中，8311工作面端头易形成了大面积的沿采空区的侧向悬顶，侧向悬顶给沿空巷道的巷内支护施加了较大的附加载荷。2312巷靠近采空区侧顶板出现了较大的顶板下沉，导致2312巷覆岩中直接顶与基本顶之间有较大的离层现象，甚至形成永久性的悬臂式结构，大大增加了煤柱的载荷，极有可能造成2312巷变形急剧增加，进而影响其围岩稳定性；并且，塔山煤矿有限公司三盘区坚硬顶板互层密集，互层厚度变化较大，对切顶卸压造成极大的不利影响，常规切顶方式效果较差，切缝贯通率较低，切面凹凸不平，导致沿空侧侧向悬顶给巷内顶板产生较大的附加作用力。

2 矿用链臂锯连续切割机主要技术参数

图3 矿用链臂锯连续切割机外形

链臂锯切割造缝切顶卸压技术是同煤集团基于链臂锯切缝无煤柱切顶卸压留巷的技术理念开发的一项利用链臂锯体在激光对刀、刀台侧移等机构辅助下实现连续、精准、弱扰动、高效率的回采巷道切顶技术。

矿用链臂锯连续切割机是链臂锯切割造缝切顶卸压技术的核心装备，其主要组成包括平台、切割部、行走部、润滑系统、液压系统、电控系统、轨道、起吊装置等，外观如图3所示。矿用链臂锯连续切割机具有以下优点：①无需注水，可干切；②采用低速刨削形式，高效刀具润滑，不易产生火花；③无需预先钻孔省去辅助时间；④切割面平整完好，成形效果好；⑤可连续切割，效率高、劳动强度低，操作省力；⑥截齿采用圆形聚晶金刚石，硬度是传统材料的10倍以上，一般使用寿命不小于1000h；⑦采用内、外喷雾系统，有效防尘；⑧采用激光点、刀台侧移动和小角度偏摆机构可精准高效对刀。链臂锯连续切割机具体技术参数见表1。

表1 矿用链臂锯连续切割机技术参数表

3 链臂锯切顶卸压现场应用及分析

3.1 链臂锯切顶卸压现场应用

根据上述链臂锯切割造缝切顶卸压技术方案于2018年12月25日至2019年2月7日进行现场工业性试验，在切割顶板过程中，链臂锯充分发挥其技术优势，切缝率为100%，且切割面平整。链臂锯切顶有两个现场工业性试验段，距离8311开切眼为5m和220m，第一试验段长14m，第二试验段为外错相连长13m，分布位置如图4所示。

图4 链臂锯切顶现场工业性试验范围

通过在2312巷煤体和煤柱内设置钻孔应力传感器监测支承压力和煤体应力演化特征，钻孔应力计布置如图5所示，得到采动影响下工作面侧向支承压力的分布特征及采动扰动影响范围。2312巷煤柱侧深部应力随工作面推进变化如图6所示。

图5 钻孔应力计布置

图6 链臂锯切顶卸压煤柱钻孔应力随工作面推进变化曲线

3.2 2312巷煤柱侧应力变化规律

通过对比分析链臂锯切顶卸压段和无切顶卸压段的煤柱深部应力变化曲线，可知：①随着工作面的推进，2312巷煤柱深部应力表现为先增大后减小，最后趋于稳定的规律；②巷道掘进后直至测站进入工作面回采超前区域前，链臂锯切顶卸压对顶板围岩结构与力学性能影响较小，切缝后顶板应力状态不发生明显改变，2312巷煤柱深部应力较为稳定；工作面推进至测站前40m处，2312巷煤柱深部应力开始上升；工作面推进至测站附近，煤柱深部应力达到峰值并开始下降；8311工作面推过测站75～100m后，测站附近8311工作面采空区煤柱深部压力与煤体深部压力达到稳定状态。

3.3 2312巷实体煤侧应力变化规律

2312巷煤体深部应力随工作面推进变化如图7所示。通过对比分析链臂锯切顶卸压段和无切顶卸压段的煤体深部应力变化曲线，可知：①随着工作面的推进，2312巷煤体深部应力表现出先增大后趋于稳定的表现形式；②巷道掘进后直至测站进入工作面回采超前区域前，链臂锯切缝后顶板应力状态不发生明显改变，2312巷煤体深部应力较为稳定；工作面推进至测站前40m处，2312巷煤体深部应力开始上升，增幅小于煤柱深部应力；工作面推进至测站附近，煤体深部应力进一步增大；8311工作面推过测站75～100m后，煤柱深部压力与煤体深部压力达到稳定状态；③链臂锯切缝试验段煤体围岩应力峰值普遍小于无切顶操作试验段。无切顶操作试验段煤壁内部15m处钻孔应力增量达6.0MPa，链臂锯切顶卸压试验段煤壁内部15m处钻孔应力增量分别为2.8MPa，明显低于无切顶试验段。

图7 链臂锯切顶卸压煤体钻孔应力随工作面推进变化曲线

4 结 论

1)在工业性试验过程中，链臂锯切割造缝充分发挥其成缝效果较好的优点，在锚杆支护范围内成缝率可达100%。

2)回采过程中，由于煤炭资源采出，顶板结构发生变化，顶板载荷向临近工作面转移，导致煤体和煤柱帮围岩应力上升，而链臂锯切缝试验段顶板应力传递被人为切断，导致链臂锯切缝试验段煤柱围岩应力增幅普遍小于无切顶操作试验段，说明链臂锯切顶卸压的卸压效果良好。

3)工作面回采后，顶板结构发生变化，由于链臂锯切割造缝成缝率较高，煤柱侧顶板提供给采空区顶板支承力较小。