缓倾斜厚煤层回风巷切顶成巷技术应用研究

马新根，李伟东，汪义龙，孙学伟，刘 煜，孙晓虎，李永元，沙兴锋，顾雷雨

(1.华能煤炭技术研究有限公司，北京 100070；2.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3.龙煤集团益新煤矿有限公司，黑龙江 鹤岗 037000；4.中国国际工程咨询有限公司，北京 100048)

在世界工业发展中，煤炭是重要的能源和化工原料，具有极其重要的战略地位[1，2]。然而随着煤炭资源的大规模开采，灾害、环保等问题日益增加，煤炭资源的高效开发和利用已成为该行业的主要研究突破方向[3，4]。为提高井工煤炭采出率，何满潮院士基于传统的长壁开采工法，于2009年提出了切顶卸压无煤柱自动成巷开采技术，真正实现了无煤柱、无充填体沿空留巷，经过十余年的发展革新，该技术已积累了相当的理论和实践经验[5，6]。

为进一步拓展该技术的适用地质条件，本研究对缓倾斜厚煤层拱形上巷切顶留巷进行研究。倾斜及缓倾斜煤层的矿压分布与近水平煤层有较大差别，曹树刚通过现场观测和数值模拟发现，倾斜煤层条件下工作面顶板垂直作用于液压支架上的分力减小，而沿煤层倾斜方向的分力增加[7]；尹光志在对大倾角煤层采场围压分布进行研究后进一步指出，倾斜煤层工作面顶板应力分布具有高度的不均匀、不对称性，下巷围岩应力集中往往大于上巷[8]；黄建功对倾斜煤层顶板运动结果进行分析，发现与近水平煤层相比，除了走向方向上的周期性顶板垮落外，倾斜煤层顶板还具有沿煤层倾斜方向的滑动运动，这是造成采场应力分布更为复杂的根本原因[9]。缓倾斜煤层条件下的切顶成巷应用研究对于该技术的应用拓展具有较大意义，其中，倾斜及缓倾斜煤层下巷切顶留巷已在福城煤矿、金凤煤矿取得了成功应用，而上巷切顶留巷的尚未有工程先例[10，11]。此外，本研究以益新煤矿43073工作面作为工程实例，试验工作面顶板较为破碎，巷道采用拱形巷道断面设计，这对切顶成巷条件下的采场围压分布、支护及挡矸工序都有较大影响。

1 工程概况

龙煤集团益新煤矿43073工作面位于鹤岗煤田三水平北一石门7#层三段，工作面走向长度400m，倾向长度170m，其布置平面如图1(a)所示，工作面基本参数见表1，顶板岩性柱状图如图1(b)所示。可见该试验工作面属于厚煤层(采高3.6m)、缓倾斜煤层(平均倾角18°)开采。试验工作面采用综合机械化采煤法进行回采，留巷试验巷道为43073工作面辅运巷道，留巷段长380m，相邻工作面后续拟利用该巷道留巷段作为运输巷道进行反向回采[16]。

图1 43073工作面平面图及顶板岩性柱状

表1 益新煤矿43073工作面基本参数表

在试验留巷巷道的掘进初期，以梯形断面结合锚网索支护进行掘进作业；后发现煤层顶板破碎严重，矩形巷道在围压下变形较大，对后续使用存在较大安全隐患，因此将巷道断面改为半圆拱，支护形式改为U型棚支护。在留巷过程中，需根据巷道断面形状的改变对巷内临时支护做出相应调整。43073工作面回采巷道断面如图2所示。

图2 43073工作面回采巷道断面(mm)

2 切顶卸压自成巷技术

切顶卸压自成巷技术原理如图3所示[12]，该技术的核心在于通过顶板定向预裂爆破切缝切断巷道顶板和采空区顶板之间的应力传递，利用采空区顶板的垮落碎胀对采空区形成充填，进而对覆岩形成有效支撑[13]。

图3 切顶卸压自动成巷技术原理

近水平煤层与倾斜煤层切顶成巷对比如图4所示，留巷完成时，采空区矸石堆压实对覆岩起到支撑作用，矸石堆对围岩的主要作用力有：①对顶板的作用力F1，②对切缝面的作用力F2，③对挡矸支护的作用力F3。

图4 近水平煤层与倾斜煤层切顶成巷对比

通过顶板垮落运动分析可知，运输巷切顶留巷条件下，采空区垮落矸石会以自然安息角向留巷方向堆积；而回风巷切顶留巷条件下，采空区顶板垮落矸石会以自然安息角向留巷相反方向聚集堆积。因此，在相同设计及地质条件下，切顶垮落过程中，下巷留巷切顶面受力作用要强于水平煤层条件，而运输巷留巷切顶面受力作用要弱于水平煤层条件；留巷稳定后，下巷留巷矸石堆对围岩的支撑作用要强于水平煤层条件，而上巷留巷矸石堆对围岩的支撑作用要弱于水平煤层条件。

3 切顶卸压设计及效应

3.1 切顶关键参数设计

切顶关键参数主要包含切顶高度和切顶角度，近水平条件下二者的设计方法已经相对完善，而在倾斜煤层条件下，二者设计还应在原设计方式上进行适当调整以适应地质条件的特殊性。

3.1.1 切顶高度设计

根据切顶留巷的采空区碎胀充填理论，切顶高度设计如图5所示。若切顶范围内共有m层岩层，则切顶高度应满足[17]：

HF=M/(Kp-1)

(1)

式中，HF为留巷的顶板定向爆破切缝高度，m；M为煤层厚度，m；Kp为留巷巷道的顶板碎胀系数。

图5 切顶高度设计

倾斜煤层运输巷留巷条件下，由于顶板垮落矸石会向留巷侧堆积，因此切顶高度可以适当降低，以在保证留巷侧采空区有效充填的基础上适当减弱挡矸支护压力；而在倾斜煤层上巷留巷条件下，由于顶板垮落矸石会向远离留巷侧堆积，因此切顶高度应适当增加，以保证留巷侧采空区能够实现有效充填。根据试验矿井实际地质条件，碎胀系数Kp取值1.4，忽略顶板下沉和底鼓变形，由式(1)计算得到切顶高度为9.0m。对比顶板岩性柱状图可知，9.0m切顶端部位于中砂岩层，该岩层能够为锚索提供稳定锚固段，因此维持该设计高度即可。

目前大港主力油田均已进入二次开发阶段，再依靠大规模的打新井来提高采收率，效果越来越差，边际效应明显；而三次采油在油田实施规模很小，技术适应性差，还远远不到大规模推广的时候。

3.1.2 切顶角度设计

切顶角度的设计公式为[18，19]：

式中，L为留巷的基本顶岩块横向断裂长度，m；h为基本顶的厚度，m；ΔS为关键岩块B的下沉变形量，m；φ′为岩块间的摩擦角，(°)。

根据上述受力分析，为尽可能的减小切顶作业量、缩短切顶悬臂梁长度，可选取关键块失稳角度的下限作为设计切顶角度。此外，倾斜煤层下巷留巷条件下，在切顶高度适当降低的基础上，也可适当增大切顶角度，进一步减缓挡矸压力，同时也有利于留巷侧采空区的充填；而倾斜煤层上巷留巷条件下，在切顶高度适当增加的基础上，切顶角度可在不影响巷道顶板支护的前提下适当减小，以进一步增加切落顶板体积，更有利于留巷侧采空区的充填。于式(2)代入试验工作面相关参数，h=5.50m、ΔS=2.28m、L=10m，φ′= 45°，计算得到切顶角度为12.2°，为增加切落矸体对采空区的填充能力，并考虑现场施工可行性，最终采用切顶角度为10°。

3.2 切顶效应分析

根据试验工作面顶底板条件及切顶设计，采用FLAC3D软件进行建模模拟， 验证切顶卸压效应。设计构建三维数值模拟模型如图6所示，模型尺寸为200m×100m×60m，岩层自下而上分别为粗砂岩、泥岩、煤层、粉砂岩、细砂岩、中砾岩、中砂岩、砂岩，各岩层参数见表2。

图6 数值模拟三维模型

表2 各岩层岩性参数

未切顶与切顶条件下采场围岩应力及位移数值模拟结果如图7所示。可见，未切顶条件下留巷实体煤侧应力集中峰值达到79.0MPa、顶板最大下沉量为0.13m，而切顶条件下留巷实体煤侧应力集中峰值仅为68.9MPa、顶板最大下沉量为0.09m。可见该切顶设计在试验工作面地质条件下具有较好的切顶卸压效果，顶板切缝在一定程度上切断顶板应力传递后，实体煤侧应力集中峰值显著降低，巷道围岩的应力分布得到优化，切顶后留巷围岩变形量更小、更容易维护，对于留巷成巷支护具有相当的增益效果。

图7 数值模拟结果

4 适应性技术

在上述切顶设计的基础上，于益新煤矿43073工作面进行缓倾斜厚煤层拱形断面上巷切顶成巷技术应用试验，为保证试验成功，现场应用过程中需结合双向聚能张拉爆破、恒阻大变形锚索支护、挡矸支护以及防滑支护等适应性配套技术。

4.1 顶板切缝技术

在缓倾斜煤层上巷切顶留巷过程中，顶板切缝仍需采用双向聚能张拉爆破技术实现[6]。聚能管单根规格为∅36.5mm×L1500mm，聚能管内的药卷填装数量、结构，以及炮孔间距等参数均需通过现场爆破试验进行确定。试验工作面通过单孔爆破试验确定爆破孔装药结构为43210，封泥长度为2m，即每孔填装五根聚能管，最后一根聚能管截断为1m长，从顶至底每根聚能管分别装药4卷、3卷、2卷、1卷、0卷；通过留巷顶板的间隔孔爆破现场试验确定炮孔的最优间距为500mm。

4.2 补强支护技术

根据以往实践经验，益新煤矿43073工作面的补强支护装备仍选用恒阻值350kN、锚固力450kN、预紧力280kN的恒阻大变形锚索[20，21]。结合切顶高度设计，可将试验工作面锚索长度设计为11m，支护强度可按悬吊理论结合现场实际进行设计，并根据试验段试验及应力、应变监测进行验证[22]。

根据43073工作面顶板岩性，最终设计43074工作面留巷锚索支护布置方案如图8所示。巷道中部以间距800mm布置一列恒阻锚索，切缝侧以间距1200mm、400mm布置一列恒阻锚索，其中切缝侧每1200mm间距两根锚索采用钢梁进行连接，并以此对U型棚进行进一步固定。此外，除顶板恒阻锚索补强支护外，在留巷工作面超前影响区及架后留巷尚未稳定区，根据以往留巷经验，采区单体支柱对其进行临时补强支护，当留巷稳定后可对该临时支护进行回撤。

图8 留巷切顶及支护设计(mm)

4.3 挡矸支护技术

考虑到倾斜煤层、缓倾斜煤层上巷留巷的采空区矸石反向堆积作用，该条件下挡矸支护强度要求相对较低[10]。此外，由于益新煤矿试验工作面留巷采用36U型钢进行支护，U型钢本身就具有挡矸和让压变形功能，因此该试验巷道仅需在该支护基础上进行补充挡矸支护设计即可。

走向撑木加固设计如图9所示，首先，为防止顶板垮落矸石冲入留巷巷道，同时为保证碎石帮成形，工作面回采后于U型钢外侧铺设一层钢筋网；其次，现场观测发现在受到顶板冒落矸石冲击作用后，U型钢容易沿巷道走向方向发生错动，因此将相邻U型钢采用撑木进行连接，以增强U型钢的整体挡矸能力；最后采用挡矸压力盒实时对U型钢挡矸压力进行监测，一方面对碎石帮的形成阶段进行判别，另一方面也可为挡矸支护提供调整优化依据。

图9 走向撑木加固设计(mm)

4.4 防滑支护技术

初期留巷过程中发现，留巷初始进入采空区阶段，由于巷道上帮测压较大、下帮邻空，U型钢支护出现整体沿煤层倾向下滑的现象，最大下滑至可达0.8m，大大降低了留巷断面尺寸效果。为解决该问题，增加U型钢防滑支护，即对每架U型棚增加一根单体支护沿煤层倾角方向对其进行支护，当碎石帮形成、留巷稳定、U型棚俩侧受力趋于平衡时，在对该防滑支护进行回撤即可。

5 现场应用效果

5.1 留巷效果

切顶成巷完全稳定后，对巷内临时支护设备进行回撤，现场留巷效果如图10所示。留巷全程，持续采用十字测点法对巷道断面变形进行记录观测，观测结果如图11所示。

图10 现场留巷效果

图11 130m进尺处巷道变形监测结果

根据监测结果可知：①留巷底鼓最终变形量为143mm，顶板下沉最终变形量为218mm，顶底板移近最终变形量为361mm，顶板下沉与底鼓变化趋势基本相同，架后207m后留巷顶底板移近变化趋于稳定；②工作面架后226m后，留巷的两帮移近变形量最后稳定于280mm，其中留巷初始阶段两帮移近变形的主要来源是实体煤帮的移近变形，之后随着碎石帮的压实稳定，逐渐开始承担覆岩压力，留巷两帮变形的主要来源转变为挡矸侧的移近。该巷道最终留巷断面高度不小于1892mm、宽度不小于4320mm，留设尺寸能够为后续复用提供必要支承。

5.2 卸压效果

为对留巷过程中的切顶卸压效果进行评价，针对试验工作面的典型液压支架进行工作阻力监测。本试验分别选取未切缝侧1#架、切缝侧100#架作为监测对象，监测结果如图12所示。

图12 液压支架循环末阻力监测结果

来压步距、压力统计见表3。根据统计、分析可知，受到顶板切缝影响，留巷侧顶板的周期来压步距比未切缝侧大，平均增幅为3m，但来压压强降低，平均来压压强降低1.4MPa、峰值来压强度降低6.8MPa，最大卸压比为17.48%，切顶卸压效果较为明显。

表3 工作面液压支架循环末阻力统计表

6 结 论

1)在对倾斜及缓倾斜煤层切顶卸压技术应用难点进行分析的基础上，针对益新煤矿缓倾斜厚煤层拱形断面上巷切顶留巷进行设计，设计得到切顶高度为9m，切顶角度为10°，并采用数值模拟方法对该设计的切顶卸压效果进行了验证。

2)对缓倾斜煤层上巷切顶成巷适应性技术进行总结，包含顶板切缝技术、补强支护技术、挡矸支护技术及防滑支护技术等，并以益新煤矿试验工作面为例，对各项适应性技术的关键参数进行设计。

3)在益新煤矿43073工作面成功进行了缓倾斜厚煤层上巷切顶卸压自动成巷试验，并通过现场监测发现，留巷整体变形量较小，可以满足相邻工作面复用需求，同时通过工作面矿压监测对比，实地验证了切顶卸压效果。