浅部复杂地质条件下切顶卸压无煤柱自成巷技术及应用

＊刘 毅

（煤炭工业石家庄设计研究院有限公司贵州分公司 贵州 551500）

我国作为全球最大的能源消费国和生产国，能源是我国经济繁荣和可持续发展的前提与重要支撑，而煤炭是我国能源安全的保障和压舱石[1]，据国家能源局发布数据，2022年国内煤炭总产量约44.5亿吨，同比增加8%，全年实现增产煤炭3.2亿吨，煤炭消费总量仍然逐渐增大。但是目前传统长臂开采技术，需要提前掘进两条巷道，留设煤柱不仅降低了煤炭资源回收率，还存在采掘接续困难、瓦斯治理难度大、巷道变形严重等问题[2-3]。

针对上述问题，国内外学者对其进行深入研究。张镇等[3]通过水力压裂卸压技术对长平煤矿43122煤柱留巷进行研究，煤柱留巷围岩变形量减小；刘雨涛等[4]通过预制混凝土砌块墙原位充填支护方式，对高山煤矿1902工作面高瓦斯突出煤层进行原位充填沿空留巷技术研究。通过上述研究能够有效解决采掘接续困难等问题。但是在复杂条件下，其留巷变形量大，留巷困难。王小龙等[5]从预裂切缝关键参数设计、留巷补强加固支护、采空区挡矸支护、瓦斯安全管理方法等方面详细分析了切顶卸压无煤柱自成巷工艺流程。

综上所述，针对贵州省纳雍县某煤矿存在煤层厚度大、埋深浅、顶板松软等问题，以本煤矿10605工作面为研究背景，采用切顶卸压无煤柱自成巷开采工艺进行研究，为贵州复杂地质条件下开展切顶卸压无煤柱自成巷技术提供宝贵经验。

1.工程概况

10605工作面开采M6煤层，为全煤巷道，M6煤层位于龙潭组二段P3l2顶部，煤层厚1.44～6.08m，平均厚度4.3m，倾角平均12°，属全区可采较稳定厚煤层；M6煤层自燃发火倾向性为Ⅲ类，属不易自燃煤层，无爆炸危险性，矿井瓦斯绝对涌出量15.44m3/min，为瓦斯突出矿井。

10605工作面运输巷383m、10605工作面切眼204m，10605回风巷385m。工作面计划沿煤层顶板进行回采，设计采高3.8m，留底煤。实验巷道为10605工作面运输巷留巷距离为293m，如图1所示。

图1 10605工作面留巷施工位置示意图

M6煤层顶板主要以泥岩、泥质粉砂岩以及粉砂质泥岩为主，工作面柱状图，如图2所示。

图2 工作面柱状图

2.切顶卸压无煤柱自成巷开采工艺原理

（1）无煤柱自成巷力学原理。传统长壁开采方式需要提前掘进两条巷道，将其顶板作为长臂悬梁结构。而切顶卸压无煤柱自成巷开采工艺则是通过对顶板进行切顶卸压，工作面顶板垮落，当工作面采矿体积等于顶板垮落岩体碎胀体积时，将长臂梁结构转换为短臂梁结构，改变其受力变形，中断低位岩梁间的应力传递，使巷道和工作面形成两个独立的应力场[6]。

（2）无煤柱自成巷工艺流程。切顶卸压无煤柱自成巷开采工艺核心在于预裂切顶卸压技术以及NPR锚杆/锚索支护技术。首先，依据设计参数对预留巷道施工恒阻锚索补强支护，该流程需超前施工切缝孔50m进行。其次，依据现场爆破试验，对装药结构进行调整后，避免爆破带来扰动影响，超前工作面至少50m进行预裂爆破。待工作面回采后，按现场实际情况采用单体或门式支架等对顶板进行临时支护。最后，在菱形网和钢筋网之间铺设风筒布进行挡矸支护，待巷道稳定后回撤单体支架，留巷完成。

3.方案设计

（1）切顶爆破方案。《无煤柱自成巷110工法规范》指出合理预裂切缝深度（H缝）设计与开采高度、顶板下沉量及底臌量有关，可通过式（1）确定：

式中：△H1：顶板下沉量，m；△H2：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1.3，工作面采高H煤为3.4m时，代入式（1）计算得H缝=11.3m，综合考虑顶板岩性、采空区分布及上述计算结果，预裂切缝孔深度设计为13500mm，线夹角为15°，间距为500mm。

聚能管管长为1500mm，外径为42mm，内径为36.5mm。将聚能管安装至爆破孔内，每孔7根聚能管，采用3+3+2+2+2+2+1的装药方式，需要根据现场试验情况具体调整。

（2）恒阻锚索支护方案。由于巷道稳定性易受切顶及工作面回采扰动影响，至少在超前切缝孔爆破50m以上位置施工恒阻锚索补强支护。考虑切缝孔深度设计为13.3m，将恒阻锚索长度设计为15300mm，直径为21.8mm，恒阻器长450mm，预紧力不小于25t。

第一列恒阻锚索距留巷正帮900mm，排距1000mm；第二列距第一列1100mm；第三列距第二列1500mm。第一列恒阻锚索相邻锚索之间用槽钢连接（槽钢平行于巷道走向），第二列恒阻锚索与相邻的第三列恒阻锚索之间用槽钢连接（槽钢垂直于巷道走向）。

（3）挡矸护帮及临时支护方案。在成巷初期，巷道受动压扰动影响，利用单体加铰接顶梁方式进行支护。单体支架垂直巷道走向布置，每排布设4根单体支柱，排距为1000mm。回采侧第一列单体紧邻挡矸工字钢，第二列单体距离第一列单体1000mm，第三列单体距离第二列单体1000mm，第三列单体距实体煤帮600mm，临时支护侧视图，如图3所示。

图3 架后临时支护设计断面

（4）防漏风及防灭火方案。为有效防止漏风及防止自燃发火等现象的发生，通过铺设钢筋网+风筒布+菱形网方法，风筒布高度取3800mm，上下各超出300mm，超出部分分别固定到顶底板，并进行有效封闭。清理工作面浮煤，及时喷涂高分子材料，通过加强自然发火标志性气体监测，达到防漏风及防灭火目的.

（5）防底鼓措施。由于煤层埋深较浅，巷道顶板淋水较大，底板岩石吸水膨胀，后期底鼓量较大。

针对底板软、底鼓等问题，采取支柱下方加垫工字钢和铁鞋，能够增强顶底板支护强度。为防止支柱钻底卸压，降低巷道支护强度，在液压支柱下加垫400mm大铁鞋，铁鞋下并排加垫3根11号工字钢，铺平垫实。起到非常好的支护效果。

4.留巷效果分析

(1)矿压监测结果分析

通过对工作面后方顶板位移进行监测，留巷顶板下沉变形监测，如图4所示。可以发现：①滞后工作面60m处为顶板快下沉阶段，该阶段受工作面回采扰动影响较大；②滞后工作面140m，由于受垮落层位升高，顶板下沉量逐渐减小；③为滞后工作面约190m时，此时采空区覆岩垮落活动、巷道顶板岩梁回转下沉活动逐渐趋于稳定，留巷围岩结构进入稳定状态；④为滞后工作面超过190m留巷段，该段留巷围岩已进入稳定状态，可进行回撤临时支护单体，成功留巷。

图4 留巷段顶板位移变化

(2)留巷效果

10605工作面自留巷以来，已成功留巷约290m，留巷前40m段，受经验不成熟影响，巷道顶板移进量约0.6～0.8m左右，随着完善现场施工的不足，后续顶板变形较少，控制在0.3m以内，底板清底铺设工字钢后底鼓变形量也得以控制，能够满足使用。

(3)经济效益和技术效益

①10605工作面间煤柱宽度为10m，以留巷长度295m、工作面采高3.5m为例该工作面可多回收1万吨煤柱，按照1200元/吨价格，节约煤炭资源约1200万元。

②少掘一条巷道，以掘巷综合成本约8000元/米计算，按照工作面长度295m计算，该工作面掘进费用约为236万元。

③解决采掘接续难的问题。采用切顶卸压无煤柱自成巷技术，节约出4个月的掘巷时间，为矿井的生产提供了保障。

5.结论

（1）基于某矿煤矿煤层厚度大、埋深浅、顶板松软等问题的复杂条件，提出了适应其矿井的切顶卸压无煤柱自成巷开采工艺，形成安全可靠的无煤柱开采体系。

（2）确定预裂切缝孔深度为13.3m，角度偏采帮侧为15°，预裂切缝孔间距为500mm，采用3+3+2+2+2+2+1的装药方式，有效切割顶板岩层。

（3）通过切顶卸压无煤柱自成巷开采工艺，节约煤炭资源约1200万元，节约下个工作面掘进费用约为236万元，解决了采掘接续难题。