預裂切頂自動成巷技術工藝實踐研究

張兆威

（國家能源神東石圪臺煤礦，陜西 榆林 719000）

1 概況

哈拉溝12201 工作面位于井田南部，為二采區首采工作面，工作面北部為主要采區大巷，南部、西部、東部均為實體煤區域，工作面東部后期規劃有12202 工作面。12201 工作面設計走向長度為752.28 m，傾向長度為280 m，采高2.6 m，巖石碎漲系數為1.69。12201 工作面采用沿空留巷工藝，將12201 膠帶順槽部分區域作為工作面回采結束后的保留巷道，設計整體留巷長度為580 m。根據礦壓觀測結果，12201 工作面初次來壓步距在22～27 m 之間，最大來壓強度約48 MPa，工作面周期來壓步距在10～15 m 之間，最大來壓強度約52 MPa。12201 工作面位置示意圖如圖1。

圖1 12201 工作面位置示意圖（m）

2 沿空留巷技術工藝

設計在12201 膠帶順槽采用切頂卸壓自動成巷技術，實現無煤柱回采。

2.1 沿空留巷關鍵技術

沿空留巷是指在工作面回采期間，將上區段工作面的順槽通過一定的技術手段保留下來，作為下區段工作面的順槽，上、下兩區段的工作面不留設煤柱的一種技術工藝，其關鍵技術為切頂卸壓技術[1]。通過對采空區一側的巷道頂板進行定向預裂，人為縮短直接頂的懸臂梁長度，切斷采空區頂板與巷道頂板之間的聯系，降低工作面回采期間壓力對工作面的影響，工作面回采結束后，巷道頂板能夠沿預裂方向滑落形成巷幫，持續兼做回采工作面的運輸巷道，實現“廢巷再利用”的目標[2-3]。沿空留巷在中厚煤層開采中有著較廣泛的應用。

2.2 雙向聚能張拉成型爆破工藝

雙向聚能張拉成型爆破是頂板定向預裂爆破的重要技術手段，該工藝主要是利用特定的聚能裝置使巖體產生集中拉應力，沿預設的方向斷裂，聚能孔能夠將炸藥爆破產生的沖擊應力波集中于孔內并以固定的方向集中釋放。爆破過程中，置于雙向聚能管的藥包會沿聚能的方向對巷道預裂方進行沖擊，使巷道圍巖產生徑向裂隙。爆破產生的沖擊性氣體進入裂隙中，促使圍巖進一步發生破斷，繼續沿預設的方向擴展，最終形成光滑的爆破面。一般而言，為提高聚能裝置的聚能拉張效果，需保證聚能裝置本身要有固定強度，能夠最大程度將預留圍巖所要受到的爆轟產物要面臨的損害降到最低，也要均衡裝置的成本與消耗控制，確保聚能爆破時炸藥消耗與爆破效果最高。

2.3 技術優勢

（1）通過切頂卸壓自動成巷技術手段，能夠將頂板支承結構有效隔斷，消除頂板應力集聚現象，實現了對頂板的定向垮落與主動控制[4]。

（2）將傳統“一面兩巷”的掘進工藝改變為“一面一巷”工藝，減少了巷道的掘進進尺，降低了掘進成本與時間。

（3）通過將上區段工作面的順槽保留下來用作下區段工作面的作業順槽，實現無煤柱回采，大大提高了煤炭資源的回采率與經濟效益，同時，避免了殘留煤柱應力集中、煤炭自燃、瓦斯積聚等現象，為礦井延深、深部工作面回采提供了良好的應力環境[5]。

2.4 沿空留巷工藝圍巖控制重點

采用切頂預裂成巷切頂技術工藝后，由于未留設區段煤柱，保留下來的巷道與采空區相接，巷道圍巖的穩定性與采空區基本頂垮落的影響關系較大，特別是巷道內部的支護會承擔大部分來自采空區懸頂傳導的作用力，其巷道圍巖變形量較大，采空區一側巷道頂板的下沉量會明顯高于其他區域，頂板離層現象嚴重。同時，巷旁支護會在懸頂梁發生旋轉的作用下而變得支護困難，出現支護材料被壓垮甚至失效的現象，采用切頂預裂成巷切頂技術工藝需重點控制成型巷道圍巖的支護效果，通過增加巷旁砌墻寬度值、提高支護強度以及采用高強度材料進行填充等技術手段以確保圍巖穩定性。

3 沿空留巷施工設計

3.1 頂板預裂切縫設計

為確保12201 工作面運輸順槽上覆頂板能夠按照預設方向垮落，設計采用預裂爆破技術對運輸順槽頂板進行爆破施工。炮孔于靠近采空區的運輸順槽幫角處布置，炮孔深度為6 m，相鄰兩孔的間距為0.8 m，炮孔與鉛垂方向呈20°夾角。炮孔的設計參數如圖2。

圖2 12201 工作面運輸順槽預裂炮孔設計參數（mm）

3.2 補強加固支護設計

為確保12201 工作面運輸順槽圍巖穩定性，避免采空區頂板大面積垮落產生的強沖擊影響對巷道產生破壞，需超前對巷道進行加固。根據12201 工作面圍巖變形特征，設計采用恒阻大變形錨索+W鋼帶對巷道進行補強加固，錨索選用規格為長8 m、直徑21.8 mm，恒阻器選用規格為長0.5 m、直徑65 mm，恒阻器阻值范圍在30～36 t 之間，錨索排距為2 m，與切縫炮孔間距為0.3 m，垂直于巷道頂板打設，托盤預緊力為28 t。每隔三根恒阻大變形錨索用W 型鋼帶進行連接固定，鋼帶選用規格為3 mm×230 mm×4600 mm。12201 運輸順槽頂板補強加固支護設計如圖3。

圖3 12201 運輸順槽頂板補強加固支護設計圖（mm）

3.3 采空區擋矸支護設計

巷道頂板在預裂爆破后，在切縫區域內會有圍巖垮落積聚的現象，容易造成巷道斷面小、清理支護困難的現象。為防止此類現象的發生，預先在超前工作面30～50 m 區域內的巷旁進行擋矸支護[6]，支護方式為工字鋼+單體液壓支柱+鋼筋網聯合支護。單體支柱與工字鋼的間距均為0.6 m，沿直線布置。支護完成后，選用規格為2300 mm×800 mm的鋼筋網進行加固，網片之間重疊長度不小于100 mm。12201 工作面擋矸支護布置如圖4。

圖4 12201 工作面擋矸支護布置圖（mm）

3.4 圍巖注漿錨桿加固設計

為提高巷道幫部圍巖支承結構的穩定性，設計對運輸順槽的幫部布置注漿錨桿進行加固。注漿錨桿沿巷幫垂直方向布置三排，第一排錨桿距巷道頂板0.9 m，最后一排錨桿距巷道底板0.3 m，注漿錨桿的間排距均為0.8 m，注漿材料選用由水泥+水+水玻璃配置而成的雙液水泥漿，單孔注漿量在0.45～0.5 m3之間。幫部圍巖注漿錨桿加固設計示意圖如圖5。

圖5 幫部圍巖注漿錨桿加固支護示意圖（mm）

4 施工工藝

（1）12201 運輸順槽預裂切縫深度在30～40 m范圍之間變化，在巷道頂板布置恒阻大變形錨索，每三個錨索之間采用W 型鋼帶連接，錨索錨固前使用Ф75 mm 的鉆頭進行擴孔，擴孔深度≧50 cm。錨索固定后，間隔18 h 之后，將恒阻器拉緊，托盤預緊力為28 t。為提高支承結構的穩定性，錨索處添加W 鋼帶作為橫撐。

（2）12201 運輸順槽距工作面40～50 m 的區域內施工雙向聚能拉伸爆破作業，在爆破孔的底部設置聚能管，管孔方向與巷道軸向平行，裝藥參數為3+2+0+1。爆破時，為降低爆破對巷道表面的破壞，提高爆破效果，需同時起爆10 個爆破孔。

（3）在巷旁采用工字鋼+單體液壓支柱聯合支護方式，巷內采用單體液壓支柱配合花邊梁支護。花邊梁架設在單體頂板，并與頂板巖面貼實。

（4）待工作面頂板沿預設軌跡垮落并穩定后，進行巷道整體修整，對垮落嚴實的區域進行敲定垮落，對頂板垮落不充分的地方進行填充，并進行噴漿，確保巷道的規格、斷面、成型度和穩定性滿足生產需求。

（5）待工作面推過100 m 后，撤除單體液壓支柱，進行下區段巷道支護。

5 應用效果

（1）12201 運輸順槽巷道頂板離層在距工作面75 m 后逐漸平緩并趨于穩定，頂板最大離層量為56.5 mm，平均離層量為27.6 mm，頂板離層量為中等可控。

（2）12201 運輸順槽巷道頂板下沉量隨距工作面距離的增加而逐漸趨于穩定，單體液壓支柱活柱最大下縮量為208 mm，支柱支護工況良好。

（3）12201 運輸順槽巷道頂板錨索最大拉應力為242.8 kN，預留出一定的監測誤差，錨索最大應力值接近恒阻狀態，支護質量有效。

（4）12201 運輸順槽巷道的側向壓力在距工作面30 m 之后趨于穩定，最大壓力值為1.8 MPa。

6 結語

沿空留巷技術是無煤柱開采工藝中的一項重要手段，該技術不僅能夠提高煤炭回收率，降低巷道掘進量，還能有效緩解巷道圍巖的應力集聚現象。在哈拉溝煤礦12201 工作面運輸順槽采用切頂卸壓沿空留巷工藝，通過頂板補強支護、采空區擋矸支護配合巷幫補強支護等，巷道成型效果較好，圍巖穩定性得到了有效保障，實現了無煤柱開采。