切頂卸壓沿空留巷技術在鹿臺山煤業的應用

王文杰

(山西陽煤集團運裕公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

目前鹿臺山煤礦2#煤層工作面均采用雙巷布置，U型通風，工作面間留設15 m保護煤柱。這種布置方式主要存在著巷道掘進成本高、支護難度大，采掘接續銜接緊張，煤柱資源浪費嚴重，煤柱自然發火威脅礦井安全生產等問題。為解決這一難題，礦井從2203工作面開始采用切頂卸壓沿空留巷技術，成功地解決了以上問題。

1 切頂卸壓沿空留巷技術的原理

切頂卸壓沿空留巷即沿工作面前方預留巷道采空區側布置爆破切頂鉆孔，對工作面頂板進行超前預裂爆破，使頂板沿預定方向產生切縫，即為切頂線；隨著工作面的不斷推進，采空區頂板周期性來壓，巷道采空區側頂板沿切縫垮落形成留巷巷幫，進而實現切頂卸壓沿空留巷，大大減輕采空區頂板來壓時對留巷的影響，留巷效果如圖1所示。

圖1 切頂卸壓沿空留巷技術原理示意圖

切頂卸壓的技術原理主要是爆破預裂頂板切斷了直接頂及基本頂的懸臂，斷開了巷道頂板與采空區側頂板的聯系，減少了支護體承擔巖石重力，減少了頂板巖層的回轉角及下沉量，保證了巷道頂板巖層的完整性，避免直接頂巖層與基本頂巖層間的離層，將巷道周邊的應力集中向圍巖深部轉移，改善巷道所處位置圍巖應力環境。

成巷的技術原理主要是定向斷裂的巖體在采動壓力作用下，頂板沿切縫自行垮落，切頂卸壓一次成巷。減輕了采空區頂板垮落時對留巷支護的破壞作用，減少了巷道維護量，節約了大量的人力、物力和財力。

2 切頂卸壓沿空留巷支護分區

工作面推進過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響，工作面開采后，頂板開采垮落，且從垮落到穩定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸支護。隨著工作面繼續推進，當巷道距工作面較遠時，頂板運動基本會趨于穩定，此時可將架后臨時支護的設備撤掉，只進行擋矸支護即可。根據現場監測經驗，將工作面前后劃分為3個區：超前支護區，滯后臨時支護區和成巷穩定區，不同分區根據需要采取不同的支護措施，如圖2所示。

圖2 切頂卸壓沿空留巷支護分區

2.1 超前支護區

此段巷道位于工作面超前采動影響區，巷道頂板壓力較大，因此需要超前支護。超前支護通常采用“單體液壓支柱+π型鋼梁”進行支護，“一梁三柱”布置，若超前支撐壓力影響范圍很大，相應增加超前支護范圍；若超前支撐壓力很大，則減小“單體液壓支柱+π型鋼梁”排距或改“一梁三柱”為“一梁四柱”布置增加支護強度。在不影響工作面生產的情況下，也可采用單體液壓支柱抬棚進行超前支護。

2.2 滯后臨時支護區

此段巷道位于工作面后方周期壓力影響區，受動壓影響明顯，巷道頂板壓力較大。為了防止周期來壓時頂板垮落巖石沖入巷道和留巷初期頂板的下沉，常采用聯合支護形式。

單體液壓支柱+工字鋼：滯后臨時支護區范圍內在靠近采空區側采用一排“密集單體支柱+工字鋼”進行擋矸支護，在巷道內部布置“一梁三柱”的“單體液壓支柱+π型鋼梁”進行頂板支護。

工字鋼+單體液壓支柱液壓抬棚：采空區側采用密集單體柱進行擋矸支護，巷道內部采用單體液壓支柱抬棚進行頂板支護，單體液壓支柱抬棚可根據實際情況適當調整抬棚之間的距離。具體支護方式應根據工作面圍巖性質并結合滯后臨時支護區頂板壓力調整。

2.3 成巷穩定區

此段巷道位于開始留巷位置與超后臨時支護區之間，此區域內巷道受采動影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認為該區域已趨于穩定狀態，可將臨時支護的頂板支護撤掉，只保留密集單體柱進行擋矸。

3 切頂卸壓沿空留巷技術的優勢

3.1 緩解采掘接替緊張，節約了巷道掘進費

如圖3所示，如果2203工作面采用雙巷布置，即該回采工作面需要掘進2條巷道，運輸巷和回風巷。這2條巷道在2202工作面回采期間及2202工作面回采結束后的1年內，2203回風巷受采動壓力的影響暫時不能掘進，否則會造成掘進速度慢、掘進困難，采掘關系緊張。同時巷道變形大，巷道支護、維護成本高。

圖3 2203工作面雙巷布置平面圖

圖4 沿空留巷模式下2203工作面布置平面圖

如圖4所示，如果2203工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術，在2202工作面回采前，采用切頂卸壓技術將2202運輸巷與工作面(回采后形成采空區)頂板切斷，待2202工作面回采后，采空區上方頂板沿切縫垮落形成巷幫，實現2202運輸巷沿空留巷作為2203回風巷。采用這種技術后，只需掘進2203運輸巷和切眼，就能形成2203工作面的巷道系統，少掘一條回風巷，有利于緩解礦井采掘接替緊張，改善礦井采掘接替關系。根據礦井采掘工程平面圖，2203回風巷長1 328 m，按照煤巷4 100元/m的掘進成本來算，少掘一條回風巷能夠節省掘進費用544.8萬元。

3.2 增加煤炭產量，提升礦井經濟效益

采用切頂卸壓沿空留巷技術后，工作面之間沒有保護煤柱，2203工作面長度增加15 m，能夠提高采區回采率9%。2203工作面回采長度1 250 m，平均煤厚2.2 m，2#煤視密度1.53 t/m3，若采用切頂卸壓沿空留巷技術將原計劃留設15 m的保護煤柱全部開采出來，能夠增加工作面產量6.3萬t。按照噸煤價格800元計算，2203工作面能夠增加銷售額5 040萬元。鹿臺山煤礦目前保護煤柱留設寬度15 m，其中2#煤層還有7個工作面尚未開采，若全部采用切頂卸壓沿空留巷技術，將節省6個區段保護煤柱，保守估計煤柱儲量達45萬t，按照噸煤售價800元計算，價值3.6億元。

3.3 實現無煤柱連續開采，消除“孤島工作面”

“孤島工作面”是指準備回采的工作面周圍均為采空區或者工作面區段巷兩側均為采空區的工作面，在這種工作面內進行的采煤工作稱為“孤島”工作面采煤。這種工作面采場頂板覆巖結構失穩會對工作面支架造成沖擊載荷，形成大面積片幫，嚴重時會造成支架壓死、設備損壞，擠出的煤體會封堵工作面出口，同時導致瓦斯涌出量增加等工程災害。采用切頂卸壓沿空掘巷技術后，工作面之間不再留設區段保護煤柱，并且不需要工作面跳采，從根本上避免了出現孤島工作面的情況。

3.4 改善巷道圍巖結構及應力分布，降低支護難度

工作面自開切眼推進一定距離后，首先在懸露老頂的中央及巷道邊緣形成“O”型破斷，之后沿斷裂線回轉下沉，形成X型破斷，這個過程就是頂板的“O-X”破斷，同時也是工作面初次來壓的過程。隨著工作面繼續推進，頂板的“O-X”破斷也向前移動，造成工作面周期來壓，在頂板的“O-X”破斷過程中，工作面端頭后方會形成弧形三角板，在采空區固定邊界的上方也就是煤柱或煤體上方經常形成不整齊的頂板殘留邊界。弧形三角板和殘留邊界的形成過程對巷道產生動壓影響，形成后的頂板結構對巷道產生靜壓影響。若工作面不采用切頂卸壓沿空留巷技術，回采過程中在工作面上下端頭上方主關鍵層形成“弧形三角板”，對巷道造成動壓影響，隨著工作面繼續推進，“弧形三角板”穩定后對巷道造成靜壓影響。

在“弧形三角板”動壓和靜壓的影響下，巷道圍巖結構遭到破壞，造成巷道所受應力大、巷道變形大，支護困難，返修率高，維護成本高。采用切頂卸壓沿空留巷技術后，切斷留巷巷道頂板與采空區頂板巖層之間的聯系，應力無法傳遞，避免留巷巷道受到“弧形三角板”動壓和靜壓的影響，改善巷道圍巖結構及應力場分布情況，降低巷道支護難度，減少巷道維護費用，減少巷道掘進事故。

4 結語

鹿臺山煤礦在采煤工作面應用切頂卸壓沿空留巷技術，實現了采煤工作面的無煤柱連續開采，減少了巷道掘進費，節約了巷道維護成本，緩解了采掘接續緊張局面，提高了礦井資源回收率，增加了礦井效益，符合綠色礦山建設要求，對促進無煤柱護巷技術的發展具有一定的指導意義。