切顶卸压无煤柱自成巷关键技术研究及应用

范晓龙

（汾西矿业集团公司，山西 介休 032000）

1 工作面概况

曙光煤矿1226 综采工作面位于一采区西翼，东邻集中轨道巷，西至一采区边界，南为尚未开采的1224 综采工作面，北为尚未开采的1228 综采工作面（现阶段1228 工作面已基本贯通）。该综采工作面为110 工法试验工作面，高瓦斯矿井，绝对涌出量为14.59 m3/min，煤尘有爆炸危险性，自燃倾向性等级为Ⅱ类。所采煤层属于二叠系下统山西组2#煤，工作面平均埋深为524 m，煤层厚度为2.6～3.6 m，平均厚度3.2 m。煤层有0.3 m 的炭质泥岩伪顶，直接顶为4.4 m 的粉砂质泥岩，基本顶为5.7 m 的细砂岩，直接底为1.2 m 的粉砂岩，基本底为3.8 m 的砂质泥岩。工作面倾向长度为176 m，走向长度1650 m，可采长度（切顶留巷）1390 m。工作面布置如图1。

图1 1226 工作面示意图

2 切顶卸压技术参数

切顶卸压无煤柱开采关键技术主要包括切顶孔参数设计、恒阻锚索设计、爆破参数设计、挡矸支护设计等，具体为：恒阻锚索支护区、工作面超前支护区、端头支护区、架后临时支护区、成巷稳定区的支护方式，以及支护材料及相关的技术参数，切缝孔、爆破方式的技术参数，挡矸、防漏风的详细方案及所有工序的施工工艺及设备、器具。

（1）切顶预裂爆破孔。采用双向聚能爆破预裂技术，将特定规格的炸药装在两个设定方向（平行于巷道中心）有聚能效应的聚能装置中。根据以往切顶卸压沿空留巷经验，合理预裂切缝深度（H缝）设计一般大于2.6 倍采高，即H缝≥2.6H采高。工作面采高H煤为2.85 m 时，计算得预裂切缝孔深度设计为7.5 m，切缝孔距巷道回采侧帮0.15 m，切缝面与铅垂线夹角为15°。按照所绘制1226 工作面运输巷侧煤层及上覆岩层厚度图及确定的切缝孔基准线，结合巷道顶板岩性对1226 工作面运巷进行分区设计，孔深11 m，孔径0.05 m，孔距0.5 m，距回采帮0.15 m，与垂直方向夹角为15°。1226工作面布置图如图2。

图2 1226 工作面布置图

（2）恒阻锚索。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。为使恒阻锚索在留巷的过程中发挥较好的悬吊作用，结合顶板岩层分布、巷道原有支护参数情况，恒阻锚索设计长度13.3 m、直径21.8 mm，第一列距切缝钻孔400 mm（距回采帮550 mm），排距1000 mm；第二列距巷道中心线200 mm（距回采帮2550 mm），排距2000 mm；顶板破碎需加强支护时，可打设第三列恒阻锚索，第三列距实体煤柱帮950 mm（距回采帮4550 mm），排距2.0 m。相邻锚索之间采用2500 mm×4.5 mm×280 mm 型W 钢带连接（平行于巷道走向）。恒阻锚索布置如图3。

图3 恒阻锚索布置图

（3）装药方式。采用3-3-2-3-2-1 装药方式，共14 个药卷，每孔装药量共计2.8 kg，雷管6 发，聚能管6 根（6 根×1.5 m），封泥长度2 m，采用6 孔连续爆破的方式。在保证恒阻大变形锚索超前加固≥100 m 的前提下，按照工作面推进方向，对巷道顶板进行爆破预裂切缝，形成切顶卸压预裂切缝面，一次性在整个巷道完成爆破预裂切缝工作。装药方式如图4。

图4 装药方式示意图

（4）超前支护区方式（工作面前方0～50 m）。超前支护采用DW35—250/100X 单体支柱配合π型钢梁进行支护，棚间距0.8 m，超前支护长度80 m，采用“一梁三柱”进行支护。

（5）端头支护方式。机头端头采用DZ-35 型单体液压支柱配合4.5 m 长的π 型钢梁，按照“四对八梁”错梁齐柱、迈步布置，转载机与煤柱侧根据现场情况采取迈步梁或带帽点柱进行支护，点柱柱距0.8 m。在迈步梁后根据与门式支架的距离合理布置1～2 组一梁两柱。

（6）架后临时支护（工作面煤壁0～300 m 段）。采用DW35-250/100X 悬浮支柱配合π 型钢梁+ U型，“一梁四柱”进行架后支护，平行于工作面顺巷道往外布置，棚距为0.8 m（±0.1 m）。每架π型钢梁分别在距π 型钢梁两端各0.15 m 处支设单体柱，挡矸侧第二列单体柱距第一列单体柱0.75 m，第二列与第三列单体柱间距为1.95 m，第三列与第四列单体柱间距为0.95 m，所有单体柱要挂好防倒链且支柱直线度符合要求。物料运输采用单轨吊运输，挡矸侧采用钢筋网+风筒布+可伸缩U 型钢+单体液压支柱进行联合挡矸支护。可伸缩U 型钢排距500 mm。

（7）成巷区挡矸支护设计。为了防止采空区的矸石蹿入及漏风，在机头第一个支架靠巷道侧采用钢筋网、风筒布和可伸缩U 型钢进行联合挡矸支护。铺设风筒（L=4 m）布上下各超出300 mm，超出部分折向工作面，风筒上部、中部搭接区域均使用联网丝予以联接，要求固定牢靠。钢筋网采用尺寸规格2150 mm×1000 mm，网格100 mm×100 mm，并与顶板金属网搭接，搭接长度不小于100 mm，联网间距不大于100 mm，钢筋网中部搭接800 mm。可伸缩U 型钢采用上下两节可缩性搭接，U 型钢长2.5 m（可根据巷道高度适当调整），采用两副卡兰连接，卡兰上下沿距U 型钢搭接端头各150 mm，搭接长度不小于1 m，U 型钢棚插入底板下不得少于300 mm，插入顶板不得少于250 mm，U 型钢支设间距0.5 m。

（8）成巷稳定区支护设计。根据矿压观测结果和分析报告，当顶底板移近量及顶板锚索受力趋于稳定时，可认为该区域顶板已趋于稳定，隔架撤架将临时支护回撤，随工作面推进将逐步全部回撤进行循环使用，并采用矿用高分子材料对留巷侧进行喷浆封堵。

（9）成巷挡矸侧封堵设计。待顶板垮落全部稳定后，对垮落不充分的地方进行填充，维修巷道形状确保满足各系统的要求，并根据瓦斯监测及通风风量监测情况，可在挡矸侧喷高分子材料处理，必要时采取复喷。

3 关键技术环节及改进空间

（1）基础资料方面。要求每隔30～50 m 对顶板上覆围岩赋存情况进行探测，并绘制岩层厚度图，为准确差异化设计切孔深度和恒阻锚索长度提供依据，并及时调整爆破参数。

（2）切缝孔参数的确定。孔深的确定主要是根据工作面的综合柱状图及岩石的碎胀性进行确定，确保切顶后顶板破碎碎胀后充填满采空区，且将关键层切断，如果充填不满或切不断关键层，将再次造成顶板悬顶、垮落，带来矿压进一步增大。根据以往切顶卸压沿空留巷工作面的经验，合理预裂切缝深度（H缝）设计一般大于2.5 倍采高，切缝孔尽量靠近采空区侧夹角处，且保证沿顺槽走线在一条直线上，与铅垂线夹角为15°。

（3）孔距的确定。该工艺推广以来，孔距基本上选取500 mm，不同的工作面根据不同的顶板围岩力学性质，可以探索孔距与其循环进度一致，如果切不通可以考虑增大孔径、炸药直径达到效果。

（4）爆破参数的确定。首先要在切眼内进行试验，对多种爆破参数的爆破效果进行验证，对切缝孔爆破后的效果进行窥视，根据窥视切缝情况及时调整装药参数、结构，选取合适的参数。其次，考虑切缝孔深度达到10 m 及以上的封泥长度，要求不得小于孔深的1/3。

（5）恒阻力锚索支护区支护。可以配合注浆锚索、预注浆支护加固技术，进一步提高顶板的整体性。

（6）预裂切缝爆破效果的监测。以上技术参数要根据运输巷顶板探测的岩性、厚度等情况，根据施工经验以及多种装药方式爆破后窥视情况合理调整参数，确保形成切顶卸压预裂切缝线，孔内有明显的均匀贯穿裂缝，要求成缝率达到81%～90%。本次试验的预裂切缝爆破效果如图5。

图5 预裂切缝爆破效果展示图

（7）留巷内挡矸棚支护。为了保证挡矸棚的稳定，将挡矸棚的两节U 型腿插入地板内，可以采用上、下分别焊接圆钢插入顶、底板。挡矸棚的U型腿示意图如图6。

图6 挡矸棚的U 型腿示意图

4 结 语

曙光煤矿通过采用断顶沿空留巷工艺，缓解了采掘衔接紧张的局面，切顶卸压后，工作面的周期压力和巷道内的压力得到减小，现留巷已服务于1228 工作面回采，为曙光煤矿提供了一套安全高效的开采模式。