切頂卸壓技術在岳城煤礦1309工作面的應用

劉 偉

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

切頂卸壓留巷技術是一種新型巷道布置技術，核心是通過水力壓裂或定向爆破等方式，對采空區一側頂板進行人工致裂，將頂板圍巖應力的傳播通道切斷，有效降低巷道及工作面頂板應力，并通過補強頂板、臨時支護和擋矸支護的共同作用下實現無煤柱開采，達到提高巷道掘進效率、降低開采成本、提高煤炭回收率的目的。目前該技術已在中厚以下煤層礦井得到成功應用。據不完全統計，切頂卸壓能使掘進效率提高25%～35%，使工作面回采率提高15%～30%[1]。該項技術對提高礦井資源回采率、實現礦井安全生產尤為重要。

1 概況

1309工作面是岳城礦東翼最后一個采面，所采煤層為3#煤，北為東翼主要大巷，西為Ⅲ3308（下）工作面（已回采），東、南均為礦界。煤層底板標高為376.5～408.8m，煤層平均厚度6.26m，采煤厚度為2.9～3.1m，煤層傾角為1～4°，平均3°。13091巷為該面進風順槽切頂巷道，鎖口段斷面為6.1×2.4m，順槽段為4.4×2.4m。根據巷道設計要求，巷道保護煤柱寬度一般為30m，造成了大量的煤炭資源損失，且1309面作為最后一采面，頂板所受到的集中應力最大，對尾巷支護和采空區瓦斯治理都會造成很大威脅。因此非常有必要在13091巷試驗應用切頂卸壓留巷技術，確保工作面安全高效回采。

2 研究內容

切頂卸壓技術原理對比如圖1所示。

由圖1可知，未采用切頂卸壓的巷道會受到來自采空區側的橫向推力（F推）、煤柱對上部圍巖的縱向擺力F轉及自重FG三個力的綜合作用，是造成巷道推移變形的主要原因[2]。而切頂卸壓則直接將采空區側頂板直接縱向切斷，使采空區老巷頂板整體垮落，只需對頂板圍巖自身重量進行支護，巷道維護難度大大降低。

圖1 切頂卸壓技術對比圖

對1309工作面采用切頂卸壓和恒阻大變形錨索補強相結合，對開采煤層圍巖進行地質力學特征分析，得出理論研究切頂高度、切頂角度、炮孔間距等預裂參數，分析現有支護情況下巷道圍巖的變形特征，研究該種頂板條件下的支護機理，確定切頂卸壓沿空留巷超前加固支護參數及配套技術，分析工作面后方礦山壓力動壓影響區范圍，確定滯后臨時支護參數和恒阻錨索規格。

3 實施方案

3.1 巷道補強加固

在頂板預裂前，首先使用恒阻錨索、讓壓錨索及W鋼帶對13091巷頂板進行補強加固。結合13091巷地質條件，補強錨索長度暫定為9300mm，直徑21.8mm。錨索加固分為兩個區域，第一個區域為沿空留巷起始位置的鎖口加固區域(①～②段)，第二個區域為沿空留巷中間段加固區域(②～③段)。如圖2所示。

圖2 13091巷補強加固示意圖

沿空留巷起始位置的鎖口加固：在沿空留巷的起始位置①～②段，打設密集錨索進行巷道鎖口加固和補強支護，如圖3所示。

圖3 鎖口段補強支護斷面圖

對①～②段鎖口補強支護采用7.3m的恒阻錨索，每排4根，間距1m，排距1m。頂板區域采用讓壓錨索與W鋼帶相連接，暫定讓壓值為30±2t，預緊力不小于25t。

沿空留巷正常段加固：在沿空留巷的②～③段打設恒阻大變形錨索(和常規錨索)加固，如圖4所示。

圖4 正常段補強支護斷面圖

在頂板共打設2列錨索，鋼絞線采用Ф21.8×9300mm。第一列采用恒阻錨索補強，距留巷幫700mm，排距1m；第二列采用讓壓錨索補強，與第一列間距1.5m，排距2m；錨索垂直于頂板方向布置，讓壓值為30±2t，預緊力不小于25t。

3.2 定向預裂切縫

（1）鉆孔角度。根據采高的不同，頂板定向預裂鉆孔角度結合頂板巖石力學參數、工作面頂板垮落情況、煤層傾角等因素綜合確定，選擇切縫角度為15°，方向為鉛垂方向，傾向采空區側。

（2）鉆孔深度。結合預裂切縫深度(H縫)臨界設計公式[3]，初步分析頂板巖層分布狀況及關鍵層位等現場實際，將切頂深度(斜長)暫定為16m。

（3）鉆孔間距。13091巷頂板為砂巖，根據以往的施工經驗，為保證最終的切縫效果，炮孔間距采用500mm、600mm、700mm三種方案試驗。最終通過現場鉆孔預裂爆破的窺視效果，確定最佳的鉆孔間距。本方案參數暫按500mm間距來計算。

（4）切縫孔布置。設計切縫孔距工作面幫200mm，沿13091巷頂板平行布置一排，間距暫定500mm，切縫孔直徑Φ45mm，深度8m。

3.3 定向預裂爆破

根據13091巷頂底板圍巖條件，直接頂與基本頂距離為13.3m，爆破孔深12m左右，炮眼之間間隔0.8m，每孔裝藥20卷，使用兩枚電雷管（單電雷管阻值≤0.1Ω），使用雙縫定向預裂管進行裝藥，如圖5所示。

圖5 爆破預裂裝藥示意圖

3.4 臨時加強支護

對工作面支架進行臨時加強支護，超前切頂區位于超前支護區之前，在這個區域內主要進行超前預裂切縫及頂板補強支護。超前預裂爆破及頂板補強支護應在超前支護區隨工作面推進過來之前完成，切縫位置應超前工作面30m。成巷穩定區位于之后滯后臨時支護區之后，工作面附近的頂板運動對巷道產生較小的影響，且采空區內頂板巖層運動基本趨于穩定，此時回撤滯后臨時支護，只保留巷幫擋矸防護即可。滯后臨時支護區域位于工作面后方200m范圍，實施沿空留巷后，根據現場觀測礦壓觀測結果再優化滯后臨時支護區長度，進一步優化其他工藝。

3.5 巷幫擋矸防護

工作面后方留巷巷幫采用“擋矸金屬網(鋼筋網)+可伸縮U型鋼+木板背幫”進行擋矸防護，為防止移架后頂板直接垮落竄入巷道，應做到移架后及時將擋矸金屬網(鋼筋網)和可伸縮U型鋼與過渡支架平行安裝，若移架前、端頭支護移動前沒有安裝到位，則不能移架、不能前移端頭支護。巷幫擋矸防護設計如圖6所示。

圖6 巷幫擋矸防護設計示意圖

金屬網(鋼筋網)相互搭接組成擋矸金屬網，使用29U/1800-01型可縮性U型鋼支架，搭接長度不小于1000mm，間距500mm，每排1組可伸縮U型鋼。對留巷幫與可縮性U型鋼支架接觸不充分部位，采用木板背幫。端頭過渡支架移架后，緊貼支架先搭接擋矸金屬網，再架設擋矸U型鋼，擋矸金屬網和擋矸U型鋼都位于切縫下方靠巷道采空區一側，緊貼切縫邊緣，與液壓支架平行布置。單杠U型鋼下扎不小于100mm，在架設前需要做柱窩，柱窩低于巷道底板100mm，長×寬×高=180mm×140mm×100mm。

4 現場驗證

本項目于2018年6月在1309工作面進行了切頂卸壓，在13091巷和工作面回風巷相同位置分別進行了切頂效果考察。其未切頂段（圖左）和切頂段（圖右）對比效果如圖7所示。

圖7 切頂卸壓段效果對比圖

由上圖可見，未切頂段頂部工字鋼棚梁中部已明顯變形，采空區側巷幫柱腿受擠壓彎曲嚴重，切頂卸壓段頂部和采空區側變形不大，巷道成型效果較好。說明來自上方圍巖和采空區側的疊加應力是造成巷道變形的主要原因，切頂后基本消除了巷道頂部和側向的疊加應力，實現了巷道的支護安全。

5 結論

對岳城煤礦13091巷進行了切頂卸壓試驗，根據現場頂板圍巖特性、厚度確定了切縫位置、預裂深度、爆破強度、鉆孔角度、深度間距和切縫孔布置等一系列具體技術參數，提出了配套的巷道臨時加固和擋矸措施，形成了符合岳城條件的切頂卸壓關鍵技術體系。經過現場驗證，切頂卸壓段頂部和采空區側變形都在規程允許范圍之內，巷道成型效果良好，為該礦沿空掘巷頂板控制提供了可靠依據。