切頂卸壓自動成巷技術在黃陵礦的應用

王懷平

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西 黃陵 727307)

0 引言

傳統長壁開采“121”工法通常需要在工作面兩端提前掘進兩條回采巷道，并留設護巷煤柱，造成了巷道掘進工程量大、掘進成本高[1-5]，留設的護巷煤柱也對煤炭資源造成了巨大的損失，同時在煤柱上方往往產生較大應力集中，使巷道變形嚴重，維護成本高。而傳統的澆筑混凝土墻隔絕采空區、支護頂板的沿空留巷技術系統復雜、施工繁瑣，影響工作面推進度。切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(簡稱“110”工法)是在工作面推過前，提前對計劃留巷巷道采用恒阻大變形錨索加固支護[6-9]；在工作面側施工預裂爆破孔，進行頂板預裂爆破切縫，切斷巷道頂板與工作面采空區頂板之間的應力傳遞。工作面推過后，由于對頂板實施了切縫，增加了采空區側頂板自由面，支架前移時采空區側頂板迅速沿切縫面垮落碎脹充填采空區，從而有效支撐上覆巖層頂板，同時，為避免采空區矸石竄入巷道，工作面推過時在端頭支架側面、切縫下方垂直支設一列擋矸支護結構[10-11]。確保留巷的有效利用空間，所成巷道即可作為下一個工作面的巷道使用。切頂卸壓自動成巷技術，可取消工作面間煤柱，提高煤炭回收率，且降低巷道掘進率50%。

1 工作面概況

切頂卸壓沿空留巷技術在瑞能煤礦117工作面實施，117工作面開采煤層為2#煤層，通過地質資料分析，煤層賦存穩定，煤層埋深120～260 m，煤厚0.8～2.0 m，平均1.49 m，煤層傾角2°～5°，平均3°，煤塵具有爆炸危險性，屬自燃煤層，順槽長度約1 026 m，工作面回采長度為980 m，工作面長151 m。工作面相對瓦斯涌出量為1.86 m3/t，絕對瓦斯涌出量為3.06 m3/min，屬低瓦斯礦井。

工作面基本頂以塊狀灰白色中-細粒巖屑石英砂巖為主，巖性較堅硬，厚層狀，不易垮落。厚度3～12 m。單軸抗壓強度14.2～68.1 MPa，平均37.7 MPa，天然抗拉強度1.47～6.10 MPa，平均2.82 MPa，屬中等穩定-穩定的不易冒落頂板。

直接頂巖性變化較大，以黑色泥巖為主，局部為粉砂巖或細粒砂巖，呈厚層狀，有時與煤層直接接觸，厚度0.7～20.6 m不等，一般9 m左右，天然容重2.52～2.62 g/cm3，單軸抗壓強度10.5～32.6 MPa，天然抗拉強度1.0～2.76 MPa，為不穩定、易冒落頂板。

偽頂主要為薄層狀泥質粉砂巖或砂質泥巖，個別鉆孔為炭質泥巖，厚度均在0.5 m以下，以其薄層狀及隨采隨落為特征。

底板主要為一套灰色團塊狀粉砂質泥巖，遇水膨脹，易發生底臌，厚度1～2 m，天然容重2.38～2.72 g/cm3單軸抗壓強度9.6～62.9 MPa，天然抗拉強度0.98～4.42 MPa，為松軟易變形的不穩定底板。

2 主要技術參數設計

切頂卸壓自動成巷的主要工藝包括切頂和支護，切頂工藝主要包括打切縫孔和定向爆破，而決定切縫孔的角度和深度主要影響因素為采高、頂板巖性、碎脹系數等因素；定向爆破主要采用雙向爆破管來控制方向。支護又包括永久支護和臨時支護，永久支護為恒阻錨索支護，而臨時支護為巷旁支護和巷內支護。表1為117工作面切頂卸壓自動成巷設計參數。

表1 117工作面切頂卸壓自動成巷設計參數

2.1 頂板雙向聚能爆破預裂技術

切頂卸壓自動成巷無煤柱開采采用雙向聚能爆破預裂技術將巷道頂板與采空區頂板預裂切縫，切斷二者之間的應力傳遞。應用時只需要在預裂線上施工炮孔，采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向對應于巖體預裂方向。爆轟產物將在兩個設定方向上形成聚能流，并產生集中張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。

根據工作面數值的分析結果，同時考慮到施工的便捷性，取切頂高度為6.0 m，切縫線與鉛垂線夾角10°，切縫孔距離117工作面煤壁為200 mm，同時，考慮到切縫施工的經濟性，切縫孔間距初步設計為500 mm。

根據切頂卸壓自動成巷工程經驗，對于復合頂板，初始裝藥結構以“3+3+3”為宜，即每個爆破孔內放置3根1.5 m長聚能管，由孔頂向孔底裝藥量分別為3卷、3卷、3卷，共9卷炸藥，封泥長度1.5 m。雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm。聚能爆破采用二級煤礦乳化炸藥，炸藥規格為直徑φ32 mm×200 mm/卷。

2.2 恒阻大變形錨索支護設計

為保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩定性，在對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索加強支護。根據工作面原有支護方式、巷道變形情況及礦壓現象，恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設2列，近實體煤側排距2 400 mm，距巷中線400 mm；沿空側排距800 mm，沿空側恒阻錨索距巷幫500 mm。恒阻大變形錨索直徑取為21.8 mm，根據切縫參數，鋼絞線長度均取8.3 m，恒阻器長500 mm，外徑79 mm，恒阻值為33±2 t，預緊力不小于25 t。

2.3 架后巷道支護設計

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，頂板開始垮落，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。

根據以往現場監測數據，將工作面附近劃分為3個區：超前支護區(工作面前方20 m)，留巷加強支護區(架后0～200 m)和留巷穩定區(架后200 m之后)。支護方式如圖1所示。

圖1 成巷區頂板臨時支護及擋矸支護設計圖

3 工程實踐及應用成果分析

3.1 工程實施情況

該項目通過對瑞能煤礦117工作面薄煤層110工法切頂卸壓自動成巷關鍵參數進行理論分析、數值模擬及現場試驗，確定了適合于瑞能煤礦薄煤層切頂卸壓自動成巷最優設計及施工參數，針對117工作面設計了薄煤層切頂卸壓自動成巷圍巖控制體系。117工作面自2017年6月22日開始回采，通過切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術對117軌道巷進行沿空自動成巷，至2018年1月15日工作面已回采結束。目前，瑞能煤業留巷長度已經超過2 000 m，且117留巷作為復用巷道，已經成功服務于115工作面的回采工作，留巷巷道滿足生產需求。

3.2 留巷段礦壓監測

恒組錨索受力分析：恒組錨索為切頂留巷主要的支護手段，因此測定恒組錨索在留巷段受力變化，能夠分析恒組錨索強度及支護參數是否都滿足需求。圖2為150 m位置恒組錨索受力監測結果，可看出，當工作面推采至距離錨索約25 m時，其受力與變形開始緩慢增大，當工作面推過時，錨索受力與變形迅速增大，當工作面推過錨索斷面所在位置約25 m時其受力達到恒阻值，約340 kN，此時錨索變形量約50 mm，但隨著工作面向前推進，錨索受力一直處于恒阻值狀態，而其變形量仍在以較高速度繼續增大，當工作面推過約50 m后其變形速度顯著減小，當工作面推過約150 m后趨于穩定。恒阻錨索在變形的過程中，其受力可保持不變，始終維持相對恒定的工作阻力，體現了其吸能讓壓的特性，通過恒阻讓壓變形來吸收頂板巖層釋放的變形能，而不致使錨索發生斷裂破壞，恒阻錨索支護滿足安全生產需求。

圖2 150 m處型錨索測力儀監測曲線

留巷過程頂板下沉規律：通過對巷道從留巷到穩定過程中巷道變形監測，分析巷道頂板下沉量圖3所示，得知工作面留巷頂板整體下沉量小，切縫側巷道頂板最大下沉量約383 mm，平均下沉量約216 mm，實體煤幫側最大下沉120 mm，平均下沉73 mm，碎石巷幫無明顯側臌現象，實體煤幫無明顯片幫現象，完全滿足安全和使用要求，滿足設計要求。

圖3 巷道頂板下沉變形曲線

3.3 存在問題及對策

110工法實施過程中存在的主要問題為采空區漏風問題，實測工作面下隅角至12#支架之前漏風十分嚴重，漏風率最高達42%，而工作面中部支架漏風明顯較小，說明在工作面下部端頭支架與煤壁之間存在較大空隙，即下隅角處密閉性較差，而工作面支架間密閉性較好。同時，說明成巷區碎石幫的空隙為工作面漏風提供了大量漏風通道，致使工作面大量風流經由工作面支架后方流向采空區，并最終由工作面后方成巷區流出。為了確保安全生產，必須采取以下措施降低留巷漏風。

降低漏風通道兩端風壓：降低留巷內和工作面回風口處的風流壓差，通過在工作面回風巷中設置調節風窗，增高回風巷和工作面回風口處氣體壓力，達到降低留巷內和工作面之間的風流壓差，減少采空區漏風量。

隔漏風墻技術措施：在留巷內碎石幫側進行噴漿、注漿或砌防漏風墻。切頂后形成的巷幫由碎石組成，及時對留巷內碎石幫噴漿處理，噴漿厚度一般不小于100 mm。對于上部切縫處和未完全充實區域實施注漿封堵，對于工作面后方漏風較為嚴重的區域，因巷幫未完全充填，不能及時噴漿，可通過臨時懸掛風障方式封堵通道，待充實后及時噴漿。

3.4 應用成果分析

117工作面留巷頂板整體變形較小，切縫側巷道頂板最大下沉量約383 mm，平均下沉量約216 mm，實體煤幫側最大下沉120 mm，平均下沉量約73 mm，碎石巷幫無明顯側臌現象，實體煤幫無明顯片幫現象，完全滿足安全和使用要求，工作面及成巷區內CH4濃度均為零，CO濃度處于3～7 ppm之間，低于《煤礦安全規程》限定的24 ppm，采空區無自然發火危險。切縫后，采空區頂板沿切縫垮落順利，采空區垮落矸石充填密實，空區老頂觸矸點距離支架后方距離一般為2～3 m。

117工作面實施“110”工法后，留巷人工、材料費用約為2 200元/m，設備及科研投入281萬元。可節約巷道掘進費用6 200元/m，多回收煤業4.2萬t，取得綜合經濟效益1 000多萬元。

4 結語

切頂卸壓沿空自動成巷技術，解放了工作面間的護巷煤柱，提高了采煤工作面資源回收率，減輕了地表不均勻沉陷引起的地表環境損害等災害問題。變傳統“一面兩巷”采掘方式為“一面一巷”，利用切落巖體作為巷道一幫，降低了工作面回采巷道的掘進率，無需留設護巷煤柱或充填高強材料支護巷道，造價低廉，操作簡單，提高生產效率。因此，全面推廣實行切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術，對我國煤礦安全高效生產及可持續發展具有重大意義。