综采工作面切顶卸压自成巷技术应用探索

张卫鹏

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部晋圣亿欣煤业有限公司，山西 晋城 048200）

随着矿井回采工作面生产效率的不断提高，造成工作面正常的生产接替愈发紧张。此外，传统长壁工作面需要留设煤柱的布置方式造成大量煤炭资源的损失与浪费［1-4］。近年来，越来越多的矿井尝试采用110 工法，其核心为通过切顶卸压自成巷技术保留上一工作面的一条巷道以备下一工作面使用；这样，单个工作面仅需开掘一条巷道，这在很大程度上缓解了矿井生产接替紧张的问题，同时降低了巷道的掘进工作量，对提升煤炭回采率亦具有重要意义［5-6］。本文以亿欣煤业XV2303运输巷道为研究背景，介绍了该技术的主要原理，设计了巷道的预裂爆破切缝的主要爆破参数及巷道的支护方式，实现了工作面运输巷道切顶卸压自动成巷。

1 工程背景

亿欣煤业XV2303 综采工作面位于15#煤二盘区，工作面走向长1101 m，倾斜长200 m，煤层底板标高+834～+924 m，对应地表标高为+1 195～+1 270 m。15#煤层在XV2303 工作面范围内厚度在2.6～3.4 m 范围内，平均厚3.1 m，倾角在3°～12°范围内，平均5°，工作面设计采高3.1 m，采用综合机械化后退式采煤法，顶板管理为全部垮落法。工作面顶底板特征见表1。XV2303 工作面直接顶为石灰岩，单向抗压强度及抗拉强度分别为67.8 MPa和5.1 MPa；老顶为砂质泥岩，单向抗压强度及抗拉强度分别为80.9 MPa和3.2 MPa；直接底为炭质泥岩，单向抗压强度及抗拉强度分别为30.0 MPa和1.6 MPa；老底为泥岩，单向抗压强度及抗拉强度分别为22.7 MPa和0.8 MPa。XV2303 运输巷宽5 400 mm，高2 600 mm，留巷段长865 m，留巷后将用于XV2304 工作面回风及辅助运输。

表1 工作面顶底板情况

图1 XV2303 工作面布置

2 基本原理

2.1 技术原理

采用定向爆破技术在巷道顶板形成预裂切缝，并通过矿山压力切落巷道上方顶板，进而切断部分顶板压力的传递。采空区侧垮落矸石可以起到支承基本顶岩块的作用，从而控制巷道上方基本顶破断岩块的回转变形，维持破断岩块的稳定性，实现巷道围岩的卸压和自动成巷。同时，使用单体液压支柱对保留巷道进行支护，并配合使用矿用工字钢在巷道临空侧对垮落下来的顶板矸石进行隔挡。待到覆岩运动稳定后，回撤支柱并在巷帮喷射混凝土作为邻近工作面的回采巷道。使用该技术可以降低传统开采方式中巷道支护困难、煤炭资源大量损失、矿井生产接替紧张等问题。

2.2 施工工序

首先，在留巷巷道打设恒阻大变形锚索以对巷道进行支护及加固。其次，工作面回采前在留巷巷道顶板施工定向爆破炮孔，并通过预裂爆破形成切缝；工作面回采后使用单体支护对巷道顶板进行支护，同时利用矿山压力切落巷道上方基本顶岩块以减少巷道围岩受力。最后，对垮落不充分区域进行充填，并对巷道表面喷射混凝土，然后撤出单体液压支柱。

3 切顶卸压自动成巷设计

3.1 巷道加固设计

为维持巷道切顶阶段和来压期间巷道围岩的稳定性，需要在工作面回采前在留巷段巷道顶板打设锚索以达到支护及加固巷道的目的。根据邻近工作面施工经验，选用直径21.8 mm，长8 300 mm恒阻大变形锚索，恒阻器长300 mm，直径55±4 mm，阻值40±3 t，锚索预紧力为30 t，锚索托盘尺寸为350 mm×350 mm×10 mm，锚索外露长度为250 mm，间排距为2 000 mm×3 000 mm，见图2。

图2 切顶卸压自动成巷设计(单位/mm)

3.2 顶板预裂切缝设计

沿巷道邻空侧施工预裂爆破孔，切缝深度为7 500 mm；炮孔轴线与垂直方向呈25°夹角，距上帮150 mm，选用外径44 mm、内径39 mm、长度1 600 mm 的聚能管；选用矿用乳化炸药，使用水炮泥封堵炮孔，炮孔间距为500 mm。装药时从聚能管开始进行装药，采用雷管起爆，并通过引线将所有聚能管依次连接直至所有炮孔均完成装药，并将每5～8 个炮孔编为一组进行串联起爆。

3.3 挡矸设计

在与XV2303 工作面液压支架距离0～30 m范围内，在距离工作面帮侧1.0 m 处布置一列DW28-280/120 型单体支柱，排距为2.0 m，在巷道中线及与巷道中线距离1.25 m 的煤柱帮侧布置一列单体支柱，排距为2.0 m。工作面回采后，在距工作面支架距离大于 80 m 处撤去单体支柱，使用矿用工字钢支护顶板，并在工字钢上挂设直径5 mm 高强焊接钢筋网 （规格为40 mm×40 mm）进行挡矸。待采空区侧顶板垮落稳定后，对垮落不充分处进行部分填充，并撤去单体液压支柱，并对巷道整形、喷浆以满足要求，留待下一工作面使用。

4 试验工作面留巷效果

在留巷段每隔40 m 布置1 台YHU200 型位移计对巷道顶板位移进行监测，每隔60 m 布置1台DWG-5LBY-3 型顶板离层仪对巷道顶板离层情况进行监测，每隔40 m 布置1 台MS-30 型锚杆/索测力计对锚索受力进行监测，并在巷道邻空侧每隔10 个支柱布置一台KJ385-G型矿用压力传感器监测支柱压力。

留巷段顶板下沉量为20～50 mm，工作面液压支架后方30 m 范围内单体支柱压力平均为8 120 kN，并在与支架距离大于30 m 时开始减小，锚索阻力值在回采工作面后方200 m 以外基本稳定。采空区顶板基本沿预裂爆破形成的切顶线垮落，且垮落充填采空区程度较好。从留巷段顶板下沉量、单体支柱压力及顶板锚索受力情况来看，留巷段巷道顶板变形处于可控范围，巷道围岩较为稳定，巷道整体成形较好，能够满足下一工作面的使用要求。

5 结语

通过使用切顶卸压自成巷技术，XV2303 工作面完成了对留巷段巷道的保留。留巷段顶板下沉量为20～50 mm，工作面液压支架后方30 m 范围内单体支柱压力平均为8 120 kN，低于额定值，并在与支架距离大于30 m 处开始减小，锚索阻力值在回采工作面后方200 m 以外基本稳定。采空区顶板垮落程度较好，基本沿切顶线位置垮落，巷道围岩较稳定，能够满足下一工作面的使用要求。

结合现场实际，XV2303 工作面保留巷道865 m，减少巷道掘进量12 144 m3，节约煤炭资源约0.047 Mt，创造经济效益约8 000 万元。切顶卸压自成巷技术对于增加矿井服务年限、节约开采成本具有重要意义。