陶二矿切顶卸压沿空留巷技术研究与应用

刘树轮

（冀中能源邯郸矿业集团有限公司，河北 邯郸 056300）

0 引言

传统的双巷留煤柱工作面布置模式不利于提高煤炭资源回收率，在深部煤层开采过程中极易诱发应力集中释放，造成冲击事故。在对煤炭的安全高效开采工作的探索中，何满潮院士提出了“110 工法”无煤柱开采技术[1-2]，该工法不仅有利于提升煤炭资源的回收水平，同时在特定情况下降低了井下煤岩体地应力释放。伴随“110 工法”的大量实践，众多专家、技术人员对切顶卸压沿空留巷方法及实施效果进行了深入的总结分析。万海鑫等[3]利用理论分析及数值模拟的方法研究了顶板爆破卸压的原理，总结归纳了切顶卸压后留巷顶帮岩体演化变形特征，提出了“超前爆破预裂顶板结合液压支柱配合铰接顶梁”的综合留巷支护技术方案；赵斌等[4]尝试利用聚能爆破器材，结合高恒阻大变形NPR 锚索对厚硬砂岩顶板进行切顶卸压，以降低围岩的局部应力释放，为厚硬砂岩顶板切顶卸压沿空留巷提供了爆破、支护材料方面的有益尝试。以上研究均为切顶卸压模式下的沿空留巷积累了宝贵的实践经验。本文通过陶二矿1223 工作面皮带巷切顶卸压沿空留巷的成功应用，为邯邢地区厚层坚硬砂岩顶板条件下切顶卸压沿空留巷技术的推广提供有益参考。

1 切顶卸压沿空留巷理论模型及技术路线

1.1 理论模型

回采工作面切顶卸压沿空留巷技术，是在对采面外段两巷实施超前支护的基础上，通过提前在两巷外段靠采面一侧顶板布置预裂钻孔，对工作面顶板进行定向爆破，制造规则顶板切割线，进而切断老空区与留巷顶板之间的连接，有效释放沿空留巷段围岩集中应力的一种顶板控制技术[5-7]。随采面推进，空区顶板悬露面积加大，在采面顶板周期来压的作用下，工作面两巷靠空区侧顶板岩石离层，沿规则顶板切线处垮落，进而成为沿空巷道的一帮[8]，待垮落体稳定后补强该侧巷帮支护，确保留巷段顶帮加固可靠，进而达到安全、稳定留巷的目的[9]。

1.2 技术路线

在工作面切顶卸压沿空留巷技术中有2 个极为重要的环节，即支护与切顶，均与施工现场的地质条件有关。因此，方案设计及施工过程中，应考虑结合陶二矿1223 工作面地质开采条件进行。1223工作面开采煤层为2 号煤，为边角煤开采工作面，埋深350.4 ～396.3 m，工作面煤层倾角平均为13°，煤厚2.5～3.5 m，工作面为综合机械化采煤，顶板管理方法为全部垮落法。2 号煤上局部发育平均厚0.2 m 的炭质泥岩伪顶；煤层基本顶为厚6.7 m 的细粒砂岩，细粒砂岩岩石抗压强度较高（大于90 MPa），煤层较厚且顶板岩层较硬。为提高顶板预裂效果，尝试利用定向聚能模式进行预裂爆破，具体通过“施工预裂深孔、埋定向切缝管结合不耦合装药”的施工工序对顶板进行预裂。结合细粒砂岩顶板岩石力学特征制作专用的定向切缝管，通过多次试验确定其裂缝尺寸规格。实际应用表明，该辅助设备既方便深孔爆破装药，又可将爆破动能全部释放于切缝方向，在指定方向集中释放应力，达到定向切割顶板的目的。

本文基于陶二矿2 号煤厚硬砂岩顶板条件，提出了“超前强化预裂段顶板、定向预裂爆破结合留巷段采空侧补强”综合切顶卸压沿空留巷技术路线，如图1 所示。

图1 切顶卸压沿空留巷综合技术工艺示意Fig.1 Comprehensive technical process of gob-side entry retaining with roof cutting and pressure relief

具体施工步骤如下:①回采工作面正常推进过程中，使用高预应力锚索对皮带巷留巷处靠采面侧顶板强化支护；②自支架切顶线到留巷强化支护段的顶板，施工定向预裂爆破切缝炮孔，完孔后装药，严格按程序实施预裂爆破，确保预裂切顶线生成规则裂隙；③回采工作面正常推进；④工作面推进一定位置后，及时补强采面皮带巷端头后方靠近空区一侧支护，安设一定数量的支柱用于阻挡串矸进入留巷，巷中搭设单体支柱与液压抬棚，对皮带巷留巷顶板进一步加固，预裂后的顶板岩体在工作面周期来压作用下会沿着定向切缝线断裂回转，进而滑落为留巷的巷帮；⑤对1223 采面后方留巷段靠近老窑一侧进行防串、漏风的密闭处理；⑥对皮带巷留巷段进行定期围岩压力监测，在工作面空区顶板来压释放完全、岩体不再垮落之后，回收之前补强的支柱及抬棚等可重复利用的设备。

2 切顶卸压沿空留巷实施方案

2.1 超前强化预裂段支护

1223 工作面皮带巷采用梯形巷道断面，巷道净规格4.5 m（宽） ×3.0 m（高），支护类型为锚网梁联合支护。皮带巷掘进期间顶锚杆选用φ20 mm×2400 mm 的阻尼螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×900 mm，顶锚索选用φ17.8 mm×7920 mm钢绞线，顺巷3 列，隔1 架3 根，均匀布置。帮锚索选用φ15.24 mm×4200 mm 钢绞线，间排距为800 mm×900 mm，帮部顶角和底角锚索距顶、底均不大于300 mm。

回采过程中，在工作面推进方向一定范围内，对留巷的皮带巷进行超前强化支护。具体形式为，在原有的锚网梁联合支护的基础之上，将原隔架锚索补齐，并在靠近采空区边缘侧进行长预应力锚索+W 钢带加固支护，锚索选用φ21.8 mm×10000 mm 钢绞线，锚索间距为800 mm，要求锚索涨拉力不小于40 MPa，施工超前于工作面不小于60 m。

2.2 施工定向预裂爆破

在充分掌握施工现场围岩岩性及岩石物理特征的基础上，合理确定定向预裂切缝爆破参数，通过预裂切缝爆破达到把采场顶部的基本顶有规则切断的目的，并确保垮落岩体均匀充满老塘空间。

（1） 钻孔深度为8.0 m、钻孔间距为0.5 m、钻孔直径为48 mm，钻孔布置于采煤侧巷道顶板，沿皮带巷走向呈直线均匀分布；钻孔垂向上朝工作面煤体偏斜25°，水平方向上与巷道走向垂直；选用矿用三级乳化炸药，单孔装药量12 卷，药卷规格为32 mm×200 mm，单卷质量200 g。

（2） 装药结构。为装药方便的同时，确保预裂效果，采用特殊设计的定向切缝管作为爆破孔内装药的载体，管体为双抗PE 材料，切缝管规格为35 mm（直径） ×3 m（管长），管轴表面设计有距管一端320 mm 均匀分布的4 个矩形孔，矩形孔规格为3 mm（高） ×500 mm（长），孔间距为400 mm（图2）。每个预裂钻孔内填装3 套预裂切缝管，炸药可填充于套管内，正向填装，炸药间为不耦合空气包间隔。同时，为装药方便并确保爆破能量释放充分完全，采用削尖木楔填塞第一套预裂切缝管端部，每个预裂孔内采用2 根矿用毫秒延期电雷管、1 根安全导爆索连线起爆。实际施工中，要确保导爆索插入到预裂孔底部第一卷药卷内，2 根电雷管1 根插到预裂孔底部第二卷药卷内、1 根插到预裂孔开口处第一卷药卷内。单节预裂管药卷装毕，用水炮泥将各预裂管隔离开，水炮泥封堵隔离长度不小于500 mm。详细装药结构如图3 所示。

图2 定向切管结构示意Fig.2 Directional pipe cutting structure

图3 装药结构示意Fig.3 Instruction of charge structure

（3） 封孔结构。为减少、缓冲预裂爆破时钻孔纵轴方向产生的应力波，降低爆破过程中的无效能量损失，充分提高预裂爆破效果，在留巷段定向预裂爆破过程中，爆破钻孔封孔选取了“炮泥+水炮泥+炮泥”的封孔结构，设计单个预裂钻孔封孔长度为4.3 m，自预裂孔孔底往外依次填入0.5 m炮泥、1.0 m 水炮泥、2.8 m 炮泥，用炮棍压实。根据实施爆破效果，本次预裂施工采取同时起爆5 个预裂钻孔的起爆方式。

2.3 补强工作面后方留巷段支护

工作面切顶线以里的老空留巷段采取打设靠帮密集木点柱，架设搭配铰接梁的单体液压支柱组合支护方案进行补强，如图4 所示。为防止顶板来压时垮落矸石涌入留巷，在工作面推采后，及时于工作面切顶线后方留巷段内打设密排木点柱支护进行挡杆，点柱安设时应确保紧贴皮带巷巷道上帮，安设柱距不小于500 mm，点柱间里侧挂金属方格网，用铅丝捆绑，确保方格网与顶网重合搭接，长度不小于300 mm；同时，受采空区顶板离层、垮落影响，留巷段动压明显，且留巷段顶板在檐体张拉力的作用下变形量较大，因此，需要对工作面切顶线以里的留巷段顶板采取临时加强支护措施，采用单体液压点柱配合铰接梁进行支护，沿巷道方向打设2 排，距离巷道切缝线600 mm、1600 mm 布置，打设要求紧跟工作面下部端头支架，确保有足够的初撑力及工作阻力。

图4 留巷补强支护方案示意Fig.4 Reinforcement support scheme for retaining roadway

3 沿空留巷效果分析

从现场观测情况来看，沿空留巷的巷道顶板完整性较好，没有出现较大的变形量；从切顶侧看，随着切顶处采空区冒落，巷道顶板没有明显下沉，说明切顶爆破有效，切顶卸压成功。从锚索支护来看，支护能有效保证顶板完整，满足顶板压力要求；从巷道单体柱支护来看，压力值随着采空区冒落数值增加然后趋于平稳。通过十字观测法观测巷道变形量来分析，巷道留巷一开始变形量较小，随着周期来压，巷道会有变形，之后趋于平稳，平均巷道高度变形量有20 cm，巷道宽度变形量有10 cm（图5），巷道宽度变形量主要来自煤帮一侧受压帮鼓。

图5 留巷围岩综合变形量Fig.5 Comprehensive deformation of surrounding rock in retaining roadway

现场实际施工及后期巷道变形观测情况表明，定向切顶预裂爆破能够使留巷段顶板按预定的方向断裂，采动后空区顶板能沿预裂面回转垮落，进而减少老空区檐体对留巷段顶板的压力，实现卸压的最终目的；同时，配合留巷段内补强组合支护措施，实现了留巷段围岩的快速稳定，减小了巷道后期变形量。

4 结 论

（1） 针对陶二矿厚硬砂岩顶板难以自行垮落的实际，利用切顶卸压方式在1223 工作面皮带巷沿空留巷，根据切顶卸压沿空留巷理论模型，提出了“超前强化预裂段顶板、定向预裂爆破结合留巷段采空侧补强”一整套综合切顶卸压沿空留巷技术路线。

（2） 依据沿空留巷技术路线，提出了具体的切顶卸压、留巷补强施工方案，预裂爆破使用定向聚能切缝管、深孔不耦合装药方式、一次多孔起爆方法，提高了预裂切顶效果；采用长预应力锚索+W 钢带超前强化预裂段支护，保证了留巷顶板的完整性；工作面后方沿空留巷采用柱距0.50 m 贴帮密集木点柱、单体液压支柱配合铰接梁进行补强支护，减少了留巷后期围岩变形。

（3） 现场实践应用表明，爆破切顶后巷道顶板能按预定方向切缝，切顶效果良好；切顶过程中，巷道备修段围岩变形率较小；推采后，留巷支护效果良好，达到了留巷的目的。