義棠煤業回撤通道切頂卸壓技術

李 實

(山西義棠煤業有限責任公司， 山西 介休 032000)

傳統的工作面回撤時,面臨著頂部壓力過大、沉降量過大,甚至壓死支架等問題。為保證工作面快速安全撤出，相關學者做出了大量研究。西龍[1]以永煤2505工作面為例，對回撤通道上覆巖體的力學結構及運動狀態展開研究，提出了不同覆巖斷裂結構下的回撤通道補強支護措施。康繼春[2]指出回撤通道失穩過程包含3個階段，即回撤通道掘進影響階段、工作面采動影響階段、停采老頂失穩影響階段，并在此基礎上針對失穩的不同階段對回撤通道的支護設計及工序進行了優化。張金虎[3]通過對某破碎頂板工作面回撤通道的變形觀測，發現其頂板運動可分為相對穩定、突變運動、顯著運動3個過程，在頂板運動相對穩定的階段增加垛式支架的工作阻力可以有效控制回撤通道變形。上述研究成果為回撤通道的時空破壞機理探索及支護對策設計提供了很好的借鑒，但在現有研究中，回撤通道的變形控制仍主要靠被動加強支護來實現，控制圍巖變形的同時往往會增加支護成本和工作量，影響工作面回撤接續。

何滿潮[4-5]基于切斷煤層上覆頂板應力傳遞的思想，提出了切頂卸壓配合高預緊力恒組錨索協同控頂的巷道支護方法，實現了無煤柱自成巷在現場的成功應用。義棠煤業100507工作面上覆頂板較為厚硬，在工作面即將與回撤通道貫通前，煤層上方堅硬頂板易產生長懸臂結構，可能造成回撤通道內液壓支架與大巷保護煤柱處所受到的附加垂直應力過高，對工作面的安全快速撤出產生不利影響，甚至在工作面撤出結束后，基本頂形成的鉸接結構在各項力的作用下仍對大巷保護煤柱及大巷造成持續性影響。為此，提出切頂卸壓與回撤通道的設計方案，以實現工作面順利回撤。

1 工程概況

義棠煤業公司100507工作面位于西翼五盤區，采用綜采放頂煤工藝，工作面長度180 m，推進總長度1 173 m，剩余推進長303 m(距50 m停采線)，工作面采高2.8 m，放煤高度3.6 m，采放比為1∶1.3. 直接頂為0.1 m隨采隨落的碳質泥巖，基本頂為10.138 m的k2灰巖，底板為鋁土泥巖。該工作面進風順槽西距100508工作面進風順槽256 m，東距100506工作面(2018年12月末采)30 m(煤柱寬度 30 m)，北距下組煤專用回風巷50 m(停采距50 m)，南部為礦井井田邊界。設計100507工作面距下組煤專用回風巷50 m. 綜合地質柱狀圖見圖1.

圖1 綜合地質柱狀圖

2 切頂卸壓關鍵參數

根據切頂卸壓沿空留巷技術原理，確定100507工作面回撤通道切頂卸壓的關鍵參數切頂高度和切頂角度。

2.1 切頂高度

隨著工作面的不斷推進直至與回撤通道貫通，在直接頂較薄、煤層較厚的情況下，直接頂碎裂后不能充滿采空區，造成其上覆基本頂產生長距離不易垮落的懸頂。基本頂在其上覆載荷和自身重力的作用下對回撤通道實體煤幫處施加較大的附加應力，容易出現壓死支架的事故，加大了回撤通道的支護難度。通過對頂板預裂切縫，將基本頂斷裂位置向采空區側轉移，減少基本頂懸臂長度，可優化回撤通道圍巖的應力環境。

切頂高度指回撤通道頂板平面到切縫末端的垂直距離。足夠的切頂高度可以使切落下來的頂板碎裂后充滿采空區，能夠支撐采空區上覆巖層的基本頂巖梁的運動。其計算公式[4]為：

H縫=(H巷-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中，ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數，一般為1.1～1.3，根據頂板巖性，取1.18. 在不考慮底鼓、頂板下沉，僅考慮回撤通道高度的影響，回撤通道高3 m，則切縫高度為16.67 m. 考慮到本工作面煤層頂板屬于堅硬頂板，綜合頂板巖性及控制基本頂的下沉和變形以及切縫角度與施工便利，預裂切縫孔深度確定為17 m.

2.2 切頂角度

切頂角度指預裂面與豎直方向的夾角。切頂角度過小時，切縫面產生較大的摩擦阻力，巖塊在摩擦力的作用下形成鉸接結構，不能沿切縫面順利滑落；切頂角度過大時，基本頂懸臂長度增加，加大了巷道圍巖維護難度。因此，應在保證巖塊能夠順利滑落的同時，盡量減小其切頂角度。關鍵塊體受力分析見圖2.

圖2 關鍵塊體受力分析圖

根據砌體梁理論和圍巖結構S-R穩定原理[6]，巖塊發生滑落失穩的條件為：

(2)

式中，L為基本頂巖塊的長度，m；h為基本頂的厚度，m；ΔS為巖塊B的下沉量，m；φ為巖塊間的摩擦角，(°)；θ為切頂角度，(°). 根據實際地質條件，取φ=46°，h=10.138 m，ΔS=4.8 m，L=19 m，得出θ≥16.6°，考慮到施工便利性，取切頂角度為20°.

3 回撤通道切頂卸壓工程應用

3.1 回撤通道切頂卸壓設計方案

該設計采用以“回撤通道和切頂卸壓”為主體的設計方案，通過預先在停采線附近掘出回撤通道，在100507工作面距離回撤通道50 m附近時，完成回撤通道的巷內支護，然后在回撤通道內頂板進行預裂爆破。通過該設計方案不僅能夠減弱100507工作面基本頂周期來壓強度，降低周期來壓影響范圍，減緩對下組煤西翼回風大巷的影響，而且最大限度地保障施工安全，不影響100507工作面的生產進度。

根據頂底板巖石的強度和原支護方式的支護強度，結合現場工程實際，回撤通道頂板采用恒阻大變形錨索補強加固后，在回撤巷道正幫位置，按設計參數施工預裂爆破孔進行預裂爆破，進而形成切縫線，恒阻大變形錨索和單體支柱支護巷道頂板。回撤通道切頂卸壓位置見圖3.

圖3 回撤通道切頂卸壓位置圖

1) 掘進回撤通道。

回撤通道長180 m，與100507工作面在同一層位，回撤通道為矩形斷面，寬4.0 m，高3 m. 回撤通道頂板采用螺紋鋼錨桿+菱形鋼絲網+恒阻錨索作為永久支護；保護煤柱側巷幫螺紋鋼錨桿+木托板聯合支護；采煤側巷幫玻璃鋼錨桿+木托板聯合支護。回撤通道支護形式見圖4.

圖4 回撤通道斷面支護圖

2) 頂板預裂切頂卸壓設計方案。

考慮到100507綜放工作面頂板上覆存在10.138 m的堅硬石灰巖，當工作面回采后，上覆堅硬頂板在巖層回轉下沉的同時，該巖層能夠傳遞礦山壓力，對下組煤西翼回風大巷產生強烈的壓力，造成圍巖大量變形。為減弱回撤巷道上部的壓力，有效控制頂板圍巖壓力傳遞，同時利用垮落巖層的碎脹性充填采空區，預裂切縫孔深度設計為17 000 mm，切縫孔角度20°(與鉛垂線夾角)，孔間距為500 mm. 回撤通道切頂卸壓布置見圖5.

圖5 回撤通道切頂卸壓圖

為了達到切頂卸壓的效果，綜合考慮工作面周期來壓的方式，在100507兩順槽靠近停采線30 m進行巷內的頂板切縫設計，切縫孔深度17 m，角度20°(與垂直夾角)，間距500 mm.

3.2 工程應用效果

整個切頂卸壓過程共歷時34天，施工爆破鉆孔234個。其中常規爆破孔196個，觀察孔38個，項目收尾階段補充爆破觀察孔22個，共實施爆破作業218個鉆孔，另有16個鉆孔因塌孔或卡鉆等原因未實施爆破。從爆破結果來看，調整鉆孔參數及爆破參數后，多數鉆孔爆破后封泥完整，對部分爆破孔窺視后，結果顯示鉆孔切縫效果良好。鉆孔窺視圖見圖6.

圖6 現場切縫孔裂縫窺視圖

工作面距離回撤通道30 m時，在回撤通道內，每隔30 m在錨索位置安裝一個壓力枕，進行礦壓監測，其觀測結果見圖7.

圖7 壓力枕曲線圖

由圖7可知，當工作面推進至距停采線30 m時，回撤通道壓力枕讀數除4#、5#測站較初始值有所減小外，其余測站讀數均較初始值有所增大，各測站讀數均呈緩慢增長趨勢。由數據結果可知，工作面推進至距停采線30 m距離時，其超前支承壓力對開拓巷道已經產生影響，隨著切頂卸壓工作持續開展，部分測站數值出現回落現象，各測站壓力值增速明顯放緩，切頂卸壓效果已初步顯現。

通過對錨索受力和伸縮量變化綜合分析可知，在工作面推進的過程中，回撤通道的錨索受力會逐漸增加,當工作面貫通回撤通道時，錨索受力降低，同時錨頭的可伸縮式量發生了較大幅度的上升,表明此時切頂已經起到了預期效應,切斷了頂板的應力傳導,優化了回撤通道圍巖的應力環境,并且由于此時巷道上方頂板圍巖受到自身重力的影響,會發生下沉,因而恒阻錨索可以利用自身的變形力,避免回撤通道頂板發生較大離層，保持巷道頂板的整體性,保證了巷道圍巖的穩定性,確保了作業面的迅速安全回撤。

4 結 語

在義棠煤業100507工作面采用以回撤通道切頂卸壓技術為主導的回撤通道支護新型生產工藝。預掘回撤通道的位置在距大巷50 m處，在回撤通道以及靠近停采線30 m的兩順槽進行切頂卸壓，同時使用恒阻大變形錨索補強以加固頂板,抑制頂板沉降現象,使回撤巷道支護圍巖可以最大限度發揮自身承載功能，進而減弱液壓支架回撤期間巷道的變形，保證支架快速安全回撤。