切顶卸压自动成巷技术在倡源煤业的应用研究

王双生

（山西介休义棠倡源煤业有限公司，山西 介休032000）

0 引言

无煤柱自成巷技术是一项煤炭工业领域的革命性技术，可以从根本上改变目前“一面两巷”的传统开采方式，通过切顶卸压可以实现“一面一巷”的回采布置，不但能够减少掘巷掘进工程量，保证矿井的正常采掘部署，而且对于矿井增加资源回收，提高企业经济效益也有着重要的意义，目前该技术已逐步在全国各类煤矿当中取得成功应用。本文针对倡源煤业9号煤层实际地质条件并结合矿井目前支护情况，提出无煤柱自成巷技术应用具体方案。

1 倡源煤业090701工作面概况

1.1 矿井概况

倡源煤业地处山西省介休市，生产规模0.9 Mt/a，井田面积4.0 787 km2，交通较为方便。采用立井开拓方式，布置有3个井筒，开采9、10、11号煤层，属于低瓦斯矿井，水文地质类型中等。

1.2 工作面概况

工作面位于井田七采区，南部为南翼七采区回风巷，西部为未采动区，北部、东部为矿界。工作面覆盖层厚度583～650 m，平均盖山厚度620 m，地面无建筑物与构筑物。工作面走向长度650 m，工作面长度115.5 m，动用储量265 778 t，回采储量252 489 t。

工作面开采9号煤层，煤层厚度2.4～2.6 m，平均2.5 m；煤层倾角0°～25°，平均12°；煤层结构复杂，在中上部夹一层厚度0.05～0.2 m的泥岩；容重1.5 t/m3；煤种属于焦煤。直接顶岩性为平均厚度2.68 m的致密坚硬石灰岩，直接底岩性为平均厚度4 m的块状构造粉砂岩。

根据2条顺槽掘进情况，工作面已揭露F701-1、F701-2、F701-3 3条东西向发育的正断层，落差分别为1.4～2.2、8～17、2.5 m，除F701-2断层对回采影响程度较大外，其他断层对回采影响程度均较小。

工作面底板标高范围为+774～+840 m，奥灰水水位标高约+923.5 m，该工作面属带压开采范畴，煤层底板带压约1.5 MPa。经物探、钻探探测及验证，工作面范围内无明显水害隐患存在，但仍必须在工作面回采过程中加强水文地质观测，尤其在过构造时要关注异常情况，注意新出现的突水点，维护好排水系统，保障其正常可靠运行。

1.3 原有巷道支护形式

090701工作面2条顺槽均为矩形断面，掘断面尺寸为4 000 mm×2 600 mm（宽×高），采用锚网索的支护形式，支护参数见图1。

2 无煤柱自成巷方案设计

090701工作面先期采用原有支护设计进行回采，预留运输顺槽为下一工作面090703工作面使用。本次无煤柱自成巷方案采用以“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护+巷道临时支护”为主，利用巷道顶板预裂切缝爆破方式，将巷道顶板与回采工作面的应力传递局部切断，以保证预留巷道顶板的整体性和稳定性。利用恒阻大变形锚索对预留巷道围岩进行补强支护，以发挥巷道顶板自身承载能力进而控制顶板下沉。再根据工作面回采过程当中，预留巷道不同位置所受动压影响情况的不同制定相应的临时支护方式。具体方案设计如图1所示：

图1 090701工作面运输顺槽巷道断面支护示意图

2.1 恒阻大变形锚索设计

恒阻大变形锚索垂直巷道顶板打设，布置2列，第1列距切缝线600 mm，排距1 000 mm；第2列布置于巷道顶板中线，排距2 000 mm。采用规格为φ21.8 mm×9 300 mm的恒阻大变形锚索，恒阻器长度为500 mm，外径为79 mm，允许的最大变形量为350 mm，恒阻值30±2 t，预紧力≥28 t，配合的托盘规格为300 mm×300 mm×16 mm，中间扩孔直径为100 mm±1 mm。切缝侧恒阻锚索每3根恒阻锚索使用梯子钢筋梁进行连接，恒阻锚索支护设计方案如图2所示，钢筋梯子梁规格如图3所示。

图2 恒阻锚索支护设计

图3 梯子梁规格图

2.2 顶板预裂切缝设计

顶板预裂切缝采用双向聚能爆破预裂技术，利用岩体抗压怕拉的特性，使岩体可以按照设定方向被拉裂成型。预裂切缝深度可由式（1）进行计算：

式中：HC为采高，单位为m；ΔH1为巷道顶板下沉量，单位为m；ΔH2为巷道底板底臌量，单位为m；k为巷道顶板碎胀系数，范围为1.3～1.5。

根据090701运输顺槽掘进情况及顶板经验碎胀系数，取1.4，平均采高取2.5 m，不考虑巷道顶底板变形，代入相关参数计算得出切缝深度为7 m。

切缝孔距巷道上帮设计为100 mm，向回采帮倾斜15°打设，间距500 m。双向聚能管的外径、内径分别为42、36.5 mm，长度为1 500 mm。配合煤矿需用三级乳化炸药，药卷规格φ35 mm×300 mm，采用炮泥封孔，根据现场试验情况及时调整装药结构和装药量。

2.3 巷道临时支护设计

在工作面回采过程当中，对预留的090701运输顺槽不同位置的采动影响也有所不同。根据其他矿井无煤柱自成巷技术应用情况并结合倡源煤业以往现场监测数据，如图4所示将工作面回采过程中预留的090701运输顺槽划分为3个不同区域。

图4 090701运输顺槽随采3个分区示意图

1）超前支护区（工作面超前20 m范围内）。2条顺槽均使用DW28型单体液压支柱配合规格为2.7 m的π型梁，按照梁间距1 000 mm，沿巷中、顺巷道方向支设2排，前一道与后一道梁端间距不大于300 mm，在顶板来压较大、顶板破碎等情况下采取加密支护的方式；U型钢、工字钢支护段巷道，在U型钢、工字钢梁下中间两侧，间距1 m打单体液压支柱，单体液压支柱要使用自制防倒绳与巷道顶部铁丝网或U型钢、工字钢、π型梁连接，单体液压支柱初撑力不小于90 kN。

2）架后临时支护区（架后0～200 m的范围）。该区域所受工作面采动影响较大，相应地巷道顶板所受应力也较大。综合考虑矿井实际情况，采用单体液压支柱+π型梁+U型钢+钢筋网的临时支护方式。其中，巷道顶板采用单体支柱和π型梁的支护方式，每排布置3个单体，间距、排距均为1 000 mm，初撑力≥90 kN；回采帮采用可缩U型钢+金属网+风筒布的挡矸支护，U型钢布置于切缝位置，间距500 mm，架后巷道临时支护断面如图5所示，回采帮挡矸支护侧视图如6所示。

图5 超后临时支护设计断面图

图6 回采帮挡矸支护侧视图

3）成巷稳定区（架后200 m之后）。该区域所受工作面采动影响较小，巷道围岩活动趋于稳定状态，此趋于内将用于临时支护的单体液压支柱撤出，仅保留U型钢+金筋网+风筒布的挡矸支护，以防止采空区漏风情况的发生。

3 施工过程设计

090701工作面运输顺槽无煤柱自成巷技术应用的施工过程主要包括以下几个步骤：

1）恒阻锚索加强支护：根据上述具体方案的设计参数施工恒阻锚索和梯子梁用于加固预留巷道顶板围岩。

2）顶板预裂切缝施工：在恒阻锚索超前加固巷道20 m以上的条件下，按照上述具体方案的设计参数施工顶板预裂爆破钻孔，并进行装药实施顶板预裂爆破。

3）架后挡矸支护：在工作面回采过程当中，及时在端头支架前方（后方）进行挡矸支护，按照“一排3柱”的方式进行临时支护，第1列单体距切缝线600 mm。巷道回采帮侧铺钢筋网并架设U型钢，采用木楔将钢丝网与U型钢固定牢固，钢筋网下部要埋入底板，钢筋网上部要与顶板钢筋网搭接；单体、U型钢均安装柱靴，现场必要时要在顶板增打木楔，以防止其发生滑动。

4）喷浆。在巷道顶板充分垮落并处于稳定后，根据现场需要采用喷浆的方式对垮落不充分位置进行填充，以使整个预留巷道可以满足下一个工作面的使用需求，并且通过喷浆的方式还可以隔绝采空区，防止自然发火情况的发生。

4 无煤柱自成巷技术应用效果

在无煤柱自成巷应用当中，090701工作面运输顺槽巷道围岩稳定，可以满足下一工作面的使用需要。留巷成本约6 000元/m，掘巷成本约7 000元/m，留巷的经济效益为65万元。按照原设计留设煤柱宽度20 m，结合目前吨煤价格500元/t进行计算，留巷回收煤炭资源可多创造经济效益2 437.5万元。总体上，采用无煤柱自成巷技术，仅090701工作面较不留巷方案可多产生经济效益2 502.5万元。

5 结语

倡源煤业090701工作面无煤柱自成巷技术的成功应用，不但能够减少掘巷掘进工程量，保证矿井的正常采掘部署，而且对于矿井增加资源回收，提高企业经济效益也有着重要的意义，可推广应用到该矿井其他工作面当中。此外，无煤柱自成巷技术在带压开采大采高工作面的成功应用，对于扩展无煤柱自成巷技术的应用范围也有积极的理论实践价值。