礦井沿空掘巷切頂卸壓技術的應用探析

王喜晨

（晉能控股集團晉圣潤東煤業有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

當前，回采巷道掘進作業中很多礦井應用的是沿空掘巷方式進行掘進，這樣預留的煤柱間距對其支護的有效性有很大的影響。如果煤柱太大，則會產生較大的承載量，對井筒的養護更為有利。一方面，對于高突礦井而言，需要加大的消突工作量；另一方面又會導致大量的資源消耗。如果小煤柱太窄，巷道就會受到鄰近回采工作面的支承應力的嚴重影響，而且需要長達半年的穩定期之后才可以掘巷，對煤礦的持續生產不利。在這種情況下，晉能控股煤業集團某礦為了提高礦山的資源利用率、降低巷道維修費用、保障礦井的正常生產、延長礦山的使用壽命，在2502 工作面進風巷采用了沿空掘巷的超前切頂卸壓技術[1]。

1 工程概況

晉能控股煤業集團某煤礦25 采區在+240 m 的底端，2504 采區東側為25#采區的邊界線，西側為25#回風巷，南側為2502，北側為2506。二疊系下統山西組3#煤為主要的煤種，其煤種為貧煤。根據回采區的采礦技術規范，在工作面的中段有一背斜結構，兩側的斜坡為5°～7°，背斜的軸部趨向于WN。由于背向斷層的作用，整個采場呈現出兩側低、中部高的特點，高度落差為22 m 左右。2504 工作面的進風巷截面為凈寬×凈高為5 m×3.2 m 的矩形截面；在2502 工作面回風巷預留15 m 長的小煤柱，其截面尺寸為：凈寬×凈高=5 m×3.5 m。

2 切頂卸壓圍巖控制原理

確定了在采煤過程中，上覆煤體為A 型煤體，下采煤體為B 型煤體。在鄰近的順槽沿巷道軸線上采取了爆破預裂的方法，隨著工作面的不斷向前，B 型巖石沿著原裂縫滑行，A 段和B 段斷裂，由于煤層之間的斷裂，導致了煤體柱沿空巷道圍巖的應力再分配，從而對周圍的應力狀況改善起到積極效果。通過采用爆破削頂，可以加速B 型煤體沿預裂面上的剪切速率，使采空區提前穩定，降低沿空巷的水平支承壓力對煤層的作用;另一方面，促進A、B 兩個區塊的連接斷開，防止B 區塊在斷裂部位的彎曲形變區域對沿空巷道的支撐造成影響。結果表明，在鄰近的采煤工作面順槽進行切頂卸壓等措施，沿空巷道所處部位的頂板應力顯著減小，從而大大減輕了巷道的支撐困難。避免了先挖后補的情況[2]。

3 切頂卸壓技術參數

3.1 切頂高度

對于窄煤柱沿空掘巷，其切頂高度的計算公式如式（1）所示：

式中：Hm為切頂高度，m；hi為頂板分層厚度，1 m；M為采高，3 m；KP為垮落矸石碎脹系數，取1.2。

通過上述的公式可以計算得到Hm的取值：Hm=15 m。根據關鍵層的原理和基礎頂板的厚度，確定了切頂面得到高度為20 m。

3.2 切頂角度

利用3 DEC 仿真軟件，對頂板破碎部位和頂板受力狀態的影響進行了數值模擬，得出了最合理的切頂角，以保證頂板順利切落，減少頂板支承應力。根據其它礦山的實際情況，運用工程模擬方法，分別分析了切頂角在0°、±5°、±10°和15°時的不同條件下，頂板應力的變化情況。

在不同的切頂角條件下，頂板的垂直應力分布曲線都發生了急劇的變化，表明采用了切頂和卸壓法，可以成功地將頂板從頂部切割下來，并將其與基礎頂部的連接斷開，從而降低了頂部的懸臂梁的高度，從而使得頂板產生了一個彎曲的、下沉的、由崩塌的巖體所支持的頂板[3]。

如圖1 所示，6 個切頂角豎向應力曲線進行比較，其中豎向應力急劇降低的部位是預裂平面。在切頂角分別為0°、±5°、±10°和15°時，豎向應力急劇降低的部位在距2502 回風巷附近的小煤柱左邊[4]。由于小煤柱的作用，不能將層間的連接斷開，對采空區側頂板的切割不利，而且頂板豎向應力較大。結果表明，在5°和10°的切頂角下，兩種頂板的應力分布規律相近，但在10°的情況下，頂板的豎向應力幾乎為零，說明這種夾角有利于頂板的切割，從而使頂板與基礎頂板的層間失去聯系；在切頂角增加到15°時，豎向應力顯著增高，波動幅度較大，說明在小煤柱上部形成的懸臂結構隨傾角的增加而增加，造成了小煤柱承受一定的壓力。最后，確定采用10°的切頂角，確保了采空區側頂板的順利切入，并將頂板的豎向應力降到最低。

圖1 頂板在不同切頂角度下的垂直應力曲線

3.3 預裂爆破參數

1）炮孔間距。通過工程模擬和深孔預裂爆破的現場試驗，得出了沿隧道軸線方向的炮眼間隔為2 m 的情況下，頂板易于發生連續崩塌。爆破鉆孔布置示意圖，如圖2 所示。

圖2 爆破鉆孔布置示意圖

2）爆破時機選擇。由于2502 風巷的爆破施工比2502 工作面的回采要早，因此，要合理地布置爆破時間，保證了切頂的順利實施，同時，也能保證工作面的正常開采。根據工作面首次和周期來壓步距，在2502風巷的前部40 m 處進行了爆破，確保了工作面在周期性來壓的影響下進行；采空區的頂板可以沿著預裂平面進行切割[5]。

3.4 超前加固

在2502 風巷施工中，應用了“錨索+支承”技術進行預應力處理。頂板加固和支撐剖面，如圖3 所示。

圖3 頂板補強支護斷面圖（未標單位：mm）

1）錨索規格。在工作面靠近煤柱面500 mm 處沿巷道軸方向設置一列加固錨桿，間隔1 500 mm。錨索采用預應力鋼絞線制成，規格為Φ22 mm×9 300 mm，抗拉強度為1 860 MPa，其錨固力為35 kN。托盤采用16 mm 高強度鋼板，規格為300 mm×300 mm。

2）托梁規格。支架由12#工字鋼制造，長3 200 mm，在每個托梁上開3 個直徑為25 mm 的鉆孔，孔間隔1.5 m，并與錨桿一起加固支護，以增強表面的強度[6]。

4 切頂卸壓效果

1）在爆破切割、卸壓后，在頂板預開裂部位進行了鉆孔，隨后利用鉆孔窺視儀進行了切割和卸壓試驗。從圖4 可以看出，在鉆孔內，在洞壁的兩邊都有貫穿裂紋，其他部位的巖體完全度良好，從而實現了定向預裂[7]。

圖4 爆破切頂卸壓效果圖

2）在2502 回風巷頂板上爆破預裂面，采空區一側的頂板成功地切下了20 m 的頂板，小煤柱的頂板豎向應力為零，它與基礎頂部的層間連接被截斷，從而實現了預期目標[8]。

3）在40 m 超前工作面上進行爆破，并隨著工作面推進到爆破區，在周期性的壓力作用下，采空區的頂板沿著預裂面成功地切割下來，并實現了連續崩塌[9]。

5 結論

晉能控股煤業集團公司某煤礦從原理上進行了分析，得出了切頂卸壓技術的關鍵技術指標，對爆破和回采時間進行了科學的調度，并采用了提前加強的方法，通過對2502 風巷的爆破切割和卸載工藝的研究，取得了較好的效果。

1）為了減少采空區的頂板和基礎頂面的分層連接，將小煤柱柱沿空巷周圍的巖體應力進行再分配，從而降低頂板所受的壓力，從而改善了周圍巖石的應力。

2）極大地減少了支護的困難，使頂板和兩幫的變形都得到了顯著的減少，避免了先挖后修的情況。該巷道擴修費用為4 200 元/m，長度為1 400 m，節省了維修資金588 萬元。