矿井切顶卸压沿空留巷关键技术及应用实践

＊刘玉锋

（贵州贵煤矿山技术咨询有限公司 贵州 550000）

煤炭作为我国的主体能源，在国家经济发展中起着至关重要的作用，据我国工程院预测，直至2025年，煤炭在能源结构占比中依旧有50%左右[1]，但随着开采深度增加，原留设煤柱开采的方式不仅导致煤炭资源浪费、采出率低，还增加了工人掘进巷道强度，而且存在留设煤柱上方应力集中容易引起地质灾害隐患等缺点[2]，而切顶卸压沿空留巷技术工艺则是通过对顶板进行超前定向预裂爆破，切断采空区顶板与巷道顶板之间应力传播路径，进而在矿山压力作用下导致顶板岩石自行垮落，实现自动成巷无煤柱开采[3-4]。

目前切顶卸压沿空留巷先进工艺技术已在我国各大矿区不同地质条件的煤矿中进行试验推广[5-7]。但贵州由于煤层地质条件复杂，所以试验矿井较少，煤矿面临着采掘关系紧张、资源枯竭、服务年限短等问题，因此引用切顶卸压沿空留巷先进技术，针对贵州省水城县某煤矿工程地质条件和煤层赋存特点，对该工法在现场应用过程中遇到的技术难题进行了克服，形成了一套适用该地区煤矿特色的切顶卸压沿空留巷技术工艺体系，总结出技术成果，为贵州切顶卸压沿空留巷技术推广提供宝贵参考经验。

1.工程概况

现1234综采工作面已贯通，计划采用切顶卸压沿空留巷工艺技术保留1234运输巷作为下个回采工作面的回风顺槽。1234运输巷布置在M23煤层中，M23煤层厚约1.5～3.0m之间，平均厚为2.3m。煤层倾角在20°～24°之间，平均煤层倾角23°，该工作面走向长度580m，倾向长度192m，留巷位置如图1所示。

图1 工作面切顶卸压无煤柱开采施工位置示意图

M23煤层顶板主要以泥质粉砂岩、细砂岩、泥岩为主，工作面柱状图如图2所示。

图2 工作面柱状图

2.技术原理及工艺

常规长壁开采121工法往往面临顶板应力集中、采动超前压力高、顶板被压坏等问题，而切顶卸压沿空留巷技术工艺可以在很大程度上减少上述问题，即回采一个工作面，只需掘进一条顺槽巷道，零个煤柱，实现无煤柱开采[8]。

切顶卸压沿空留巷技术关键工艺体现在拉得住、切得开、下得来、护得好四个方面。拉的住是指利用NPR恒阻大变形锚索对巷道顶板进行加固，保证留巷顶板稳定性；切得开是指利用顶板定向切缝技术，通过双向聚能拉张爆破形成有效的切缝面；下得来是指采空区顶板能沿着切缝垮落；护得好是指在成巷初期围岩不稳定时候，采用U型钢加金属网对巷道表面加强支护，使用切顶护帮支架对巷道采空区侧进行挡矸支护，防止顶板垮落岩石冲入巷道。

3.方案设计

根据煤矿实际生产情况，1234综采工作面上方1204工作面采空区分布情况及层间距不同，将留巷区段划分为五个区段进行设计，第I区段（距切眼0～30m巷道）；第II区段（距切眼30～50m巷道）；第III区段（距切眼50～100m巷道）；第IV区段（距切眼100～350m巷道）；第V区段（距切眼350～455m巷道）；第VI区段（距切眼455～510m巷道）；第VII区段（距切眼510～580m巷道），受文章篇幅限制，以第V区段为例进行研究阐述。

(1)切顶爆破方案

基于切顶卸压沿空留巷经验理论基础，结合《无煤柱自成巷110工法规范》，并根据在现场反复实践探索，提出的合理预裂切缝深度（H缝）设计一般大于2.6倍采高[9]，如式（1）所示：

另外预裂切缝钻孔深度还与开采高度、顶板下沉量及底臌量有关，可通过式（2）确定：

式中：ΔH1：顶板下沉量，m；ΔH2：底臌量，m；k：碎胀系数，1.3～1.5。

采空区顶板冒落煤矸石碎胀系数取1.35，在不考虑底臌及顶板下沉的情况下，工作面采高H煤为2.3m时，代入式（2）计算得H缝=5.3m，综合考虑顶板岩性、采空区分布及上述计算结果，350～455m巷道设计为H缝=7.5m。切缝孔布置在回采侧顶板夹角处，与铅垂线夹角为15°，间距为500mm。切缝钻孔布置剖面图如图3所示。

图3 350～455m段切顶及恒阻锚索支护设计

通过单孔试验确定合理装药量及封泥长度，并再通过间隔爆破观察药孔间空孔内的裂纹情况，确定一次爆破孔数以及爆破方式。若空孔裂纹未达要求标准，则继续进行连续爆破试验，直至最终确定。炮孔试验参数如图4所示。

图4 炮孔参数试验方案

现场试验时，分别在每个爆破孔中安装4个聚能管，并采用2+2+1+1的装药方式，通过窥孔仪观测孔内裂缝情况，若效果不理想，可根据现场试验情况具体调整。爆破孔口采用炮泥封孔，封孔长度不小于1m。

(2)顶板补强支护方案

对巷道顶板进行预裂切顶前采用恒阻大变形锚索补强加固，综合考虑顶板岩性分布，在留巷350～510m段共设计布置三列恒阻锚索。三列恒阻锚索设计长度9.3m。设计支护参数如下。

恒阻大变形锚索垂直于顶板方向布置，共布设3列。第一列长度为9300mm，距留巷正帮500mm，排距800mm；第二列与第一列恒阻锚索的距离为1600mm，排距1600mm，长度为9300mm；第三列距第二列恒阻锚索1600mm，排距1600mm，长度为9300mm。第一列恒阻锚索相邻锚索之间用W钢带连接（W钢带平行于巷道走向）。第二列、第三列恒阻锚索沿巷道走向采用锚索吊梁加强支护，用20#矿用槽钢，长2200mm，迈步式布置。距留巷正帮800mm补打一列锚杆，长度2000mm，间距800mm。

(3)挡矸护帮及临时支护方案

在成巷初期，为降低顶板运动对巷道的影响，在架后顶板需要临时加强支护，通过采用单体液压支柱配合铰接顶梁进行超后支护，一梁一柱，沿巷道走向布置。每排布设排距1000mm的4根单体支柱，设计第一排单体距离切缝线200mm，第二排单体距离切缝线700mm，第三排单体位于中线偏回采帮100mm，第四排单体距实体煤帮500mm，倾斜布设，与竖直方向夹角为15°。单体布设与液压支架立柱平齐，不可滞后于工作面，临时支护侧视图如5所示。

图5 350～455m段架后临时支护设计断面

(4)防漏风及防灭火方案

采取风筒布防漏风技术措施能够有效防止漏风现象。根据巷道情况布置高度4m的风筒布于挡矸金属网后，超出30cm部分分别固定到顶底板。

留巷后需进行碎石帮侧喷浆处理。在滞后工作面距离大于60m处围岩运动影响较小，可喷浆40mm厚，并实时监测现场矿压情况，预计滞后工作面160m处巷道围岩运动基本稳定，重复喷浆60mm厚。喷浆材料采用高分子快速密闭喷涂材料，固化后材料气密性好，防止气体泄露，能在很大程度上降低工人劳动强度。

最后通过建立健全束管系统，并结合人工监测、采样分析等方法，以CO、烯烃类气体为判断指标，并辅以温度、水雾等表象类特征对火灾进行预测预报。

(5)留巷效果分析

通过恒阻锚索、单体以及20#槽钢对顶板进行补强支护，工作面超前支承压力影响对顶板影响不明显，在工作面后方留巷段内受到采空区顶板垮落影响，顶板变形呈现“开始—加速—变缓—稳定”趋势。

留巷段顶板下沉量从采空区侧向煤柱侧依次减少，采空区侧顶板下沉量最大达80mm，1234运输巷围岩变形整体较小，取得较好的留巷效果。

4.效益分析

通过采用切顶卸压沿空留巷工艺保留1234运输巷作为下个回采工作面的回风顺槽，可以在少掘一条回风巷的同时减少巷道支护成本，则留巷总效益=煤柱效益+少掘1条回风巷道成本-沿空留巷增加成本。产生经济效益对比如表1所示。

表1 经济效益对比表

(1)经济效益

①该工作面可多回收3万吨煤柱，按照1000元/t价格，可实现煤柱经济效益3000万元。

②一条巷道的掘进费用（包括人工费用）大致在5000元/m，巷道平均长度按580m算，单个工作面节约掘进费用290万元。

③原混凝土砌块墙沿空留巷工艺中，预裂爆破切顶留巷每米节约成本费800元，可节约46.4万元。

(2)技术效益

①进行1234工作面切顶卸压沿空自动成巷开采科研项目研究，利用切顶卸压自成巷，实现了无煤柱开采。

②采用切顶留巷工艺，工人劳动强度低，操作简单，减少了砌块制作、运输、搬运环节，可大大减少后期巷道卧底工程量，改善了现场安全生产条件，同时减少人员用工投入，每米减少劳动用工10个，达到了减员增效的效果。

5.结论

（1）基于工作面及顶底板条件，提出适用于贵州省水城县某矿的无煤柱开采切顶卸压沿空留巷方案，为贵州该区域切顶卸压沿空留巷技术推广提供宝贵参考经验。

（2）针对1234工作面，提出切顶爆破方案、顶板补强支护方案、巷道临时支护方案、防漏风及防灭火方案以达到成功留巷目的。

（3）经济效益和社会效益分析表明，切顶卸压沿空留巷总经济效益为3336.4万元；同时可以优化采掘关系，减少人员用工投入，改善现场安全生产条件。