新义煤矿切顶留巷技术应用研究

刘会强，杜留群

(义煤集团 新义矿业有限公司，河南 新安 471800)

煤炭资源开采至今，我国大部分煤矿企业都存在资源紧张的问题，特别是在采煤工艺较为落后的矿井，采用留设区段煤柱采煤工艺的工作面对紧张的煤炭资源带来了进一步浪费，且随着开采深度的日益增加，留设区段煤柱的工作面将面临应力集中的影响，从而导致巷道围岩破碎变形、矿压增大，甚至出现瓦斯突出事故，对矿井安全高效生产造成威胁。为了解决上述问题，沿空留巷技术被广泛应用于各个矿井[1-5]。沿空留巷技术是将采空区巷道进行支护保留，将保留巷道用于临近工作面的开采，这样不仅可以节省巷道掘进的生产成本和时间成本，缓解矿井的接替压力，还能避免留设大量煤柱造成煤炭资源的浪费。

沿空留巷技术的核心是“拉得住、切得开、下得来、护得牢”，基于该技术核心理念，2009年何满潮院士提出了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术(以下简称切顶留巷开采技术)，这项技术是以“切顶短臂梁”为理论基础，原理是沿留设巷道对采空区侧顶板进行预爆破制造出裂缝，使采空区基本顶垮落与留巷基本顶分开，并且垮落的采空区基本顶能够形成巷帮，改善了留巷围岩的应力环境，使用该技术不仅成巷速度快、施工工艺简单，还能够极大地节省工程量和施工成本，应用前景广阔[6-10]。

基于国内外大量煤矿工作者及研究者的理论研究和实践经验，新义煤矿在11090综采面应用了切顶留巷开采技术，以解决生产接替紧张的问题。

1 工程概况

1.1 工作面概况

11090综采工作面位于新义矿东翼11采区，北部为新义矿业井田边界保护煤柱，南部为东翼回风大巷保护煤柱，西部为11080工作面(未回采)，东部为11100工作面(未圈定)，11090工作面倾向长

为977～1 030 m，走向长185 m，回采面积186 633 m2。工作面标高为-302.2～-222.6 m，工作面二1煤层底板标高为-306.4～-224.8 m，地面标高为+361.9～+400.6 m，煤厚平均4.7 m。切顶留巷起始位置选在11090胶带巷700 m处。工作面平面布置如图1所示。工作面直接顶岩性为砂质泥岩，厚1.8 m；基本顶岩性为中粒砂岩，厚12.6 m；直接底岩性粉砂岩，厚0.8 m；基本底岩性为硅质泥岩，厚2.8 m。顶底板岩石物理力学性质试结果见表1。

图1 工作面平面布置Fig.1 Floor plan of working face

表1 顶底板岩石物理力学性质试验Tab.1 Roof and rock mechanics parameters

1.2 巷道原支护方式

该巷道为沿顶掘进，矩形断面，宽4.9 m、高3.2 m，断面15.7 m2，采用“锚网索+钢筋梯”联合支护，顶板锚杆规格为φ20 mm×2 500 mm，间排距为800 mm×1 000 mm，锚索规格φ17.8 mm×6 000 mm、间排距为1 600 mm×2 000 mm，帮部锚杆规格φ20 mm×2 500 mm，间排距为800 mm×1 000 mm；钢筋梯采用φ14 mm圆钢加工、排距1 000 mm。11090胶带巷2018年施工结束至今，巷道支护状况良好，顶板未出现明显下沉，两帮未出现明显位移，目前巷宽4.6 m，巷高3 m，符合切顶留巷条件。原巷道支护断面如图2所示。

2 切顶留巷技术原理及工艺流程

2.1 切顶留巷技术原理

图2 原巷道支护断面Fig.2 Original supporting form of roadway

切顶留巷开采技术以“切顶短壁梁”为理论基础，通过恒阻大变形锚索强化支护留巷顶板，然后对预留巷道沿采空区顶板进行预爆破，制造出裂缝，将留巷基本顶与采空区基本顶“切开”，造成采空区与留巷上覆岩层间出现断裂结构面，将采空区上覆岩层的应力传播路径切断，从而改变留巷顶板的受力状态。采空区基本顶上覆岩层应力集中，顺裂缝自然垮落形成巷帮，实现无煤柱自动成巷[11-12]。

根据工程进度可将工作面划分成超前切顶区、滞后临时支护区以及成巷稳定区3个区域。留巷的技术核心是“拉得住、切得开、下得来、护得牢”。

(1)超前切顶区。位于超前支护区之前，该区域内巷道尚未受到超前支承压力的影响，在巷道支护的作用下围岩基本处于稳定状态。在超前切顶区内，主要进行顶板补强支护和超前预裂切缝，增加采空区侧顶板自由面，确保在高支护阻力下实现巷道“缓变性”破坏，工作面回采后，采空区顶板受自重和矿压作用，沿切缝面自动垮落成巷。

(2)滞后临时支护区。位于成巷稳定区之前、端头支护区之后，该区域内留巷顶板动压显现剧烈易引起顶板下沉，为避免垮落顶板落入巷道，可采取挡矸措施，同时配合一定的临时支护保护留巷受动压影响出现严重变形，最终实现沿空留巷。

(3)成巷稳定区。位于滞后临时支护区之后，随着工作面继续推进，当留巷距离工作面较远时，留巷受工作面周期来压影响较小，此时采空区顶板上覆岩层应力反应已基本稳定，回撤滞后临时区液压抬棚和单体柱抬棚，完成沿空留巷。

图3 沿空留巷分区示意Fig.3 Schematic diagram of zoning of reserved lanes along the goaf

2.2 切顶留巷工艺流程

切顶留巷自11090胶带巷700 m处开始，工艺以“补、切、护”为主[13-14]：巷道超前区补强加固→超前预裂切缝(切顶眼打设→预裂爆破切顶)→工作面端头控制→滞后临时支护区支护(非煤墙侧帮部补强加固、采空区侧挡矸防护)→沿空留巷支护与端头支护联合布置→完成沿空留巷。

2.3 切顶留巷技术关键

切顶留巷技术的关键是如何在留巷过程中控制顶板变形，可利用直径较大的锚索进行多轮次打设，强化留巷顶板的稳定性。同时为了保证采空区顶板能够顺利地按照设计高度垮落成巷帮，利用双向聚能管进行预爆破切缝。在采空区顶板垮落后，在切缝侧采用挡矸及临时支护的方式阻止垮落矸石流入巷道，避免后期产生大量的清矸任务[13-14]。

2.3.1 顶帮锚索支护技术

为了避免预留巷道受切顶及周期来压的影响出现巷道大量变形，在开始切顶之前，使用大直径锚索进行超前补强支护。顶板锚索由原来的每排3根加密至5根、间排距由原来的1.6 m×2 m缩小至0.8 m×1 m，其中沿空侧锚索距巷帮500 mm，顶板锚索采用φ18.9 mm×7 500 mm、φ18.9 mm×10 000 mm两种规格；同时在实体煤帮每排增加2根锚索、间排距1.4 m×0.8 m，锚索规格φ18.9 mm×4 300 mm；预紧力不小于200 kN。预留巷道强化支护断面如图4所示。

图4 预留巷道强化支护断面示意Fig.4 Reinforcement supporting drawing of goaf entry retaining roof

2.3.2 双向聚能预爆破切顶技术

双向聚能预爆破切顶是切顶留巷技术的关键基础，由于岩体耐压易拉的结构特性，可使用双向聚能管进行预爆破切顶，通过设定，爆破后在相反方向形成聚能流，对爆破处产生拉伸应力，使顶板能够按照设计高度和方向形成预裂缝。工作面在形成采空区前，切断与留设巷道顶板之间的应力传递路径，采空区形成后基本顶沿预裂缝按照设计高度垮落，形成留设巷道巷帮，实现快速成巷。双向聚能预爆破原理如图5所示。

2.3.3 挡矸及支护技术

采空区顶板在垮落时容易流入预留巷道内，同时为了避免留巷在切顶期间受动压影响出现变形严重影响使用的情况，根据现场实际情况，采用了工字钢+菱形钢筋网+挡矸布+U型卡缆+U型可伸缩挡矸柱+背木的挡矸及支护形式，其中工字钢布置

图5 双向聚能预爆破原理Fig.5 Bidirectional shaped blasting schematic

间距为500 mm。挡矸及及支护方式如图6所示。

图6 挡矸及及支护方式示意Fig.6 Protection drawing of goaf side retaining gangue

(1)工作面端头控制。为保护顶板支护锚索不被破坏，将端头1号排头架向工作面切眼内挪移，工作面1号排头架与顶板最边缘一排锚杆向外间距不大于0.2 m。为防止采空区顶板矸石垮落、窜入巷道，增加安装挡矸柱时施工安全系数，在1号、2号排头架安装自主加工临时防护装置控制顶板。

(2)采空区挡矸防护。挡矸支护紧贴支架后方施工，滞后支架不超过0.5 m。留巷效果主要取决于挡矸防护措施是否有效，为保证挡矸防护效果，在相邻2根挡矸柱之间增加连板进行连锁，挡矸柱与顶板之间采用废旧锚杆进行固定，增加挡矸柱的稳定性。

(3)加强支护区支护。架后0～200 m留巷段动压影响范围需进行加强支护，采空区侧距帮1 m打设1排液压抬棚，实体煤侧距帮1 m打设1排“单体柱+Π型钢梁”抬棚，初撑力不低于24 MPa。

(4)成巷稳定区支护。架后200 m之后区域的顶板活动基本趋于稳定，通过矿压观测数据，依次减少抬棚数量，确保沿空留巷在下一个工作面开采前的稳定。

3 切顶留巷关键参数设计

结合地质资料和钻探、窥视成像情况，前期确定切顶深孔深度15 m(切入基本顶)，切缝线与铅垂线夹角10°、距采空区侧煤壁平均0.1 m(中线偏右2.2 m)，钻孔直径45 mm，间距0.8 m。随着留巷进度的增加，又改变为切顶深孔15 m深，间距0.6 m，切顶浅孔6 m深，切缝线与铅垂线夹角10°、距采空区侧煤壁平均0.1 m(中线偏右2.2 m)，钻孔直径45 mm，间距0.6 m，切顶深孔和浅孔交替布置。沿空留巷切顶位置示意如图7所示。

图7 沿空留巷切顶位置示意Fig.7 Position of leaving the road along the goaf and cutting the roof

同时为验证切顶爆破参数，设计初期对沿空留巷设置3个试验区，其中：①试验1区长度70 m，切顶眼间距0.8 m，孔深15 m，装药15节(3 kg)；②试验2区长度30 m，切顶眼间距0.4 m，孔深分别15、6 m，深孔装药18节(3.6 kg)、浅孔不装药；③试验3区长度30 m，切顶眼间距0.3 m，孔深分别为15、6 m，深孔装药18节(3.6 kg)、浅孔装药8节(1.6 kg)。试验3区切顶爆破装药结构如图8所示。

图8 试验3区切顶爆破装药结构示意Fig.8 Diagram of roof cutting blasting charge structure in experimental area 3

为验证爆破效果，在预爆破完成后采用防爆钻孔窥视仪观察孔内爆破效果，切顶预爆破效果对比如图9所示。通过图9可知：①试验1区，当切顶深孔间距0.8 m，采用装药结构为5+5+5时，爆破孔内壁裂缝细小无连续性，预裂率约为30%，并且在爆破孔底部没有出现裂缝。②试验2区，增加施工切顶浅孔，深孔和浅孔交替施工，间距0.4 m。为此加大炸药量，切顶深孔调整装药结构为7+6+5，切顶浅孔不装药。此次爆破孔内裂缝数量明显增多，预裂率约为70%，但在距孔口3 m范围内，裂缝依然存在大量不连续的情况。③试验3区，经过再次调整，缩短切顶深孔浅孔的间距，由原来的0.4 m改为0.3 m，切顶深孔和浅孔交替。切顶深孔装药结构仍为7+6+5，切顶浅孔装药结构为4+2+2。爆破后孔内裂缝连续且对称，有很好的贯通效果，预裂率达到了90%，达到预期效果。

图9 切顶预爆破前后效果Fig.9 Renderings before and after roof cut hole blasting

根据切顶卸压自动成巷工程经验，确定15 m切顶眼内装药段长度8.6 m，每孔炸药18节，自上而下每部分药卷数量为7节、6节、5节；6m孔装药长度3.8 m，每孔炸药8节，自上而下每部分药卷数量为4节、2节、2节，每部分2发雷管共6个，采用PVC半管装药，封孔长度5 m，一次起爆眼数8～16个深孔，8～16个浅孔，超前工作面不少于90 m。

4 应用效果

4.1 顶板变形量监测

通过设置矿压观测站，通过“顶板压力监测、顶板离层观测、巷道表面位移观测”等综合手段，分析应力变化和稳定规律，并验证留巷效果。

(1)顶板压力分析。根据初步结果，采空区后方应力在距下端头支架尾梁20～30 m开始升高，峰值在30～75 m，应力下降区域约在距下端头支架尾梁75～90 m，应力稳定区域则在90 m以后。

(2)顶板离层分析。留巷段进入30 m后，顶板出现离层，80 m后离层量达到峰值，深基点(深7 m)最大离层量85 mm，浅基点(深3.5 m)最大离层量10 mm。

(3)巷道位移分析。通过十字位移观测法分析，留巷段进入70 m后，顶底板收缩量达50～80 mm，留巷进入70～130 m，收缩量达260～320 mm；留巷进入130～180 m，收缩量达300～400 mm；留巷进入180 m后，位移量基本趋于稳定，在此期间顶底板下沉量呈现切缝侧比煤壁侧下沉严重。

通过连续观察，支架载荷和顶底板移近量如图10所示，顶板离层和围岩变化均在可控范围之内。

图10 支架载荷和顶底板移近量Fig.10 Support load and roof and floor subsidence

4.2 现场留巷效果

11090工作面现场采用切顶留巷技术成功留巷700 m，目前留巷段巷宽4.5 m、巷高2.6 m，巷道未出现明显变形，取得了预期效果。现场巷道成型效果如图11所示。

图11 巷道成型效果Fig.11 Roadway forming effect

4.3 效益分析

(1)采用切顶留巷，缩短了工作面形成时间，缓解接替紧张问题，矿井实现“一井一面一煤巷”的生产布局。

(2)采用切顶留巷，不存在煤巷掘进实施区域防突措施问题，采空区积水可渗流到留巷内疏排，消除掘进期间突出、瓦斯超限、透水等重大风险。

(3)采用切顶留巷，工作面可少掘1条煤巷，每米巷道节约掘进成本6 200元(留巷成本为3 100元/m)，不再留设沿空掘进护巷煤柱，每米多回收原煤20 t，约8 000元。

5 结论

(1)为避免出现生产接替紧张的情况，新义矿在11090综采面应用了切顶留巷技术，系统介绍了该技术的应用原理及技术关键。通过顶板预爆破，将采空区顶板和留设巷道顶板之间造出裂缝，切断采空区顶板上覆岩层的应力活动路径，避免留设巷道围岩受应力影响出现大量变形，采空区顶板在来压后按照设计高度沿裂缝垮落，形成巷帮，从而达到无煤柱快速成巷的目的。

(2)采用理论计算及现场试验等方法，确定切顶角度为15°、切顶深度为15 m和6 m。顶板每排打5根锚索，帮部每排打2根锚索加钢带支护，最优装药结构为切顶深孔7+6+5，切顶浅孔为4+2+2、孔间距为300 mm等关键参数。

(3)在留设巷道稳定后，对巷道顶底板及两帮的位移量进行监测，发现巷道两帮最大移近量为200 mm，顶底板最大移近量为400 mm，巷道围岩位整体较为稳定，留设巷道能够满足工作面回采的使用需求。

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