礦井切頂卸壓沿空留巷關鍵技術及應用實踐

＊劉玉鋒

（貴州貴煤礦山技術咨詢有限公司 貴州 550000）

煤炭作為我國的主體能源，在國家經濟發展中起著至關重要的作用，據我國工程院預測，直至2025年，煤炭在能源結構占比中依舊有50%左右[1]，但隨著開采深度增加，原留設煤柱開采的方式不僅導致煤炭資源浪費、采出率低，還增加了工人掘進巷道強度，而且存在留設煤柱上方應力集中容易引起地質災害隱患等缺點[2]，而切頂卸壓沿空留巷技術工藝則是通過對頂板進行超前定向預裂爆破，切斷采空區頂板與巷道頂板之間應力傳播路徑，進而在礦山壓力作用下導致頂板巖石自行垮落，實現自動成巷無煤柱開采[3-4]。

目前切頂卸壓沿空留巷先進工藝技術已在我國各大礦區不同地質條件的煤礦中進行試驗推廣[5-7]。但貴州由于煤層地質條件復雜，所以試驗礦井較少，煤礦面臨著采掘關系緊張、資源枯竭、服務年限短等問題，因此引用切頂卸壓沿空留巷先進技術，針對貴州省水城縣某煤礦工程地質條件和煤層賦存特點，對該工法在現場應用過程中遇到的技術難題進行了克服，形成了一套適用該地區煤礦特色的切頂卸壓沿空留巷技術工藝體系，總結出技術成果，為貴州切頂卸壓沿空留巷技術推廣提供寶貴參考經驗。

1.工程概況

現1234綜采工作面已貫通，計劃采用切頂卸壓沿空留巷工藝技術保留1234運輸巷作為下個回采工作面的回風順槽。1234運輸巷布置在M23煤層中，M23煤層厚約1.5～3.0m之間，平均厚為2.3m。煤層傾角在20°～24°之間，平均煤層傾角23°，該工作面走向長度580m，傾向長度192m，留巷位置如圖1所示。

圖1 工作面切頂卸壓無煤柱開采施工位置示意圖

M23煤層頂板主要以泥質粉砂巖、細砂巖、泥巖為主，工作面柱狀圖如圖2所示。

圖2 工作面柱狀圖

2.技術原理及工藝

常規長壁開采121工法往往面臨頂板應力集中、采動超前壓力高、頂板被壓壞等問題，而切頂卸壓沿空留巷技術工藝可以在很大程度上減少上述問題，即回采一個工作面，只需掘進一條順槽巷道，零個煤柱，實現無煤柱開采[8]。

切頂卸壓沿空留巷技術關鍵工藝體現在拉得住、切得開、下得來、護得好四個方面。拉的住是指利用NPR恒阻大變形錨索對巷道頂板進行加固，保證留巷頂板穩定性；切得開是指利用頂板定向切縫技術，通過雙向聚能拉張爆破形成有效的切縫面；下得來是指采空區頂板能沿著切縫垮落；護得好是指在成巷初期圍巖不穩定時候，采用U型鋼加金屬網對巷道表面加強支護，使用切頂護幫支架對巷道采空區側進行擋矸支護，防止頂板垮落巖石沖入巷道。

3.方案設計

根據煤礦實際生產情況，1234綜采工作面上方1204工作面采空區分布情況及層間距不同，將留巷區段劃分為五個區段進行設計，第I區段（距切眼0～30m巷道）；第II區段（距切眼30～50m巷道）；第III區段（距切眼50～100m巷道）；第IV區段（距切眼100～350m巷道）；第V區段（距切眼350～455m巷道）；第VI區段（距切眼455～510m巷道）；第VII區段（距切眼510～580m巷道），受文章篇幅限制，以第V區段為例進行研究闡述。

(1)切頂爆破方案

基于切頂卸壓沿空留巷經驗理論基礎，結合《無煤柱自成巷110工法規范》，并根據在現場反復實踐探索，提出的合理預裂切縫深度（H縫）設計一般大于2.6倍采高[9]，如式（1）所示：

另外預裂切縫鉆孔深度還與開采高度、頂板下沉量及底臌量有關，可通過式（2）確定：

式中：ΔH1：頂板下沉量，m；ΔH2：底臌量，m；k：碎脹系數，1.3～1.5。

采空區頂板冒落煤矸石碎脹系數取1.35，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，工作面采高H煤為2.3m時，代入式（2）計算得H縫=5.3m，綜合考慮頂板巖性、采空區分布及上述計算結果，350～455m巷道設計為H縫=7.5m。切縫孔布置在回采側頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°，間距為500mm。切縫鉆孔布置剖面圖如圖3所示。

圖3 350～455m段切頂及恒阻錨索支護設計

通過單孔試驗確定合理裝藥量及封泥長度，并再通過間隔爆破觀察藥孔間空孔內的裂紋情況，確定一次爆破孔數以及爆破方式。若空孔裂紋未達要求標準，則繼續進行連續爆破試驗，直至最終確定。炮孔試驗參數如圖4所示。

圖4 炮孔參數試驗方案

現場試驗時，分別在每個爆破孔中安裝4個聚能管，并采用2+2+1+1的裝藥方式，通過窺孔儀觀測孔內裂縫情況，若效果不理想，可根據現場試驗情況具體調整。爆破孔口采用炮泥封孔，封孔長度不小于1m。

(2)頂板補強支護方案

對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索補強加固，綜合考慮頂板巖性分布，在留巷350～510m段共設計布置三列恒阻錨索。三列恒阻錨索設計長度9.3m。設計支護參數如下。

恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設3列。第一列長度為9300mm，距留巷正幫500mm，排距800mm；第二列與第一列恒阻錨索的距離為1600mm，排距1600mm，長度為9300mm；第三列距第二列恒阻錨索1600mm，排距1600mm，長度為9300mm。第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用W鋼帶連接（W鋼帶平行于巷道走向）。第二列、第三列恒阻錨索沿巷道走向采用錨索吊梁加強支護，用20#礦用槽鋼，長2200mm，邁步式布置。距留巷正幫800mm補打一列錨桿，長度2000mm，間距800mm。

(3)擋矸護幫及臨時支護方案

在成巷初期，為降低頂板運動對巷道的影響，在架后頂板需要臨時加強支護，通過采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁進行超后支護，一梁一柱，沿巷道走向布置。每排布設排距1000mm的4根單體支柱，設計第一排單體距離切縫線200mm，第二排單體距離切縫線700mm，第三排單體位于中線偏回采幫100mm，第四排單體距實體煤幫500mm，傾斜布設，與豎直方向夾角為15°。單體布設與液壓支架立柱平齊，不可滯后于工作面，臨時支護側視圖如5所示。

圖5 350～455m段架后臨時支護設計斷面

(4)防漏風及防滅火方案

采取風筒布防漏風技術措施能夠有效防止漏風現象。根據巷道情況布置高度4m的風筒布于擋矸金屬網后，超出30cm部分分別固定到頂底板。

留巷后需進行碎石幫側噴漿處理。在滯后工作面距離大于60m處圍巖運動影響較小，可噴漿40mm厚，并實時監測現場礦壓情況，預計滯后工作面160m處巷道圍巖運動基本穩定，重復噴漿60mm厚。噴漿材料采用高分子快速密閉噴涂材料，固化后材料氣密性好，防止氣體泄露，能在很大程度上降低工人勞動強度。

最后通過建立健全束管系統，并結合人工監測、采樣分析等方法，以CO、烯烴類氣體為判斷指標，并輔以溫度、水霧等表象類特征對火災進行預測預報。

(5)留巷效果分析

通過恒阻錨索、單體以及20#槽鋼對頂板進行補強支護，工作面超前支承壓力影響對頂板影響不明顯，在工作面后方留巷段內受到采空區頂板垮落影響，頂板變形呈現“開始—加速—變緩—穩定”趨勢。

留巷段頂板下沉量從采空區側向煤柱側依次減少，采空區側頂板下沉量最大達80mm，1234運輸巷圍巖變形整體較小，取得較好的留巷效果。

4.效益分析

通過采用切頂卸壓沿空留巷工藝保留1234運輸巷作為下個回采工作面的回風順槽，可以在少掘一條回風巷的同時減少巷道支護成本，則留巷總效益=煤柱效益+少掘1條回風巷道成本-沿空留巷增加成本。產生經濟效益對比如表1所示。

表1 經濟效益對比表

(1)經濟效益

①該工作面可多回收3萬噸煤柱，按照1000元/t價格，可實現煤柱經濟效益3000萬元。

②一條巷道的掘進費用（包括人工費用）大致在5000元/m，巷道平均長度按580m算，單個工作面節約掘進費用290萬元。

③原混凝土砌塊墻沿空留巷工藝中，預裂爆破切頂留巷每米節約成本費800元，可節約46.4萬元。

(2)技術效益

①進行1234工作面切頂卸壓沿空自動成巷開采科研項目研究，利用切頂卸壓自成巷，實現了無煤柱開采。

②采用切頂留巷工藝，工人勞動強度低，操作簡單，減少了砌塊制作、運輸、搬運環節，可大大減少后期巷道臥底工程量，改善了現場安全生產條件，同時減少人員用工投入，每米減少勞動用工10個，達到了減員增效的效果。

5.結論

（1）基于工作面及頂底板條件，提出適用于貴州省水城縣某礦的無煤柱開采切頂卸壓沿空留巷方案，為貴州該區域切頂卸壓沿空留巷技術推廣提供寶貴參考經驗。

（2）針對1234工作面，提出切頂爆破方案、頂板補強支護方案、巷道臨時支護方案、防漏風及防滅火方案以達到成功留巷目的。

（3）經濟效益和社會效益分析表明，切頂卸壓沿空留巷總經濟效益為3336.4萬元；同時可以優化采掘關系，減少人員用工投入，改善現場安全生產條件。