淺部復雜地質條件下切頂卸壓無煤柱自成巷技術及應用

＊劉 毅

（煤炭工業石家莊設計研究院有限公司貴州分公司 貴州 551500）

我國作為全球最大的能源消費國和生產國，能源是我國經濟繁榮和可持續發展的前提與重要支撐，而煤炭是我國能源安全的保障和壓艙石[1]，據國家能源局發布數據，2022年國內煤炭總產量約44.5億噸，同比增加8%，全年實現增產煤炭3.2億噸，煤炭消費總量仍然逐漸增大。但是目前傳統長臂開采技術，需要提前掘進兩條巷道，留設煤柱不僅降低了煤炭資源回收率，還存在采掘接續困難、瓦斯治理難度大、巷道變形嚴重等問題[2-3]。

針對上述問題，國內外學者對其進行深入研究。張鎮等[3]通過水力壓裂卸壓技術對長平煤礦43122煤柱留巷進行研究，煤柱留巷圍巖變形量減小；劉雨濤等[4]通過預制混凝土砌塊墻原位充填支護方式，對高山煤礦1902工作面高瓦斯突出煤層進行原位充填沿空留巷技術研究。通過上述研究能夠有效解決采掘接續困難等問題。但是在復雜條件下，其留巷變形量大，留巷困難。王小龍等[5]從預裂切縫關鍵參數設計、留巷補強加固支護、采空區擋矸支護、瓦斯安全管理方法等方面詳細分析了切頂卸壓無煤柱自成巷工藝流程。

綜上所述，針對貴州省納雍縣某煤礦存在煤層厚度大、埋深淺、頂板松軟等問題，以本煤礦10605工作面為研究背景，采用切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝進行研究，為貴州復雜地質條件下開展切頂卸壓無煤柱自成巷技術提供寶貴經驗。

1.工程概況

10605工作面開采M6煤層，為全煤巷道，M6煤層位于龍潭組二段P3l2頂部，煤層厚1.44～6.08m，平均厚度4.3m，傾角平均12°，屬全區可采較穩定厚煤層；M6煤層自燃發火傾向性為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，無爆炸危險性，礦井瓦斯絕對涌出量15.44m3/min，為瓦斯突出礦井。

10605工作面運輸巷383m、10605工作面切眼204m，10605回風巷385m。工作面計劃沿煤層頂板進行回采，設計采高3.8m，留底煤。實驗巷道為10605工作面運輸巷留巷距離為293m，如圖1所示。

圖1 10605工作面留巷施工位置示意圖

M6煤層頂板主要以泥巖、泥質粉砂巖以及粉砂質泥巖為主，工作面柱狀圖，如圖2所示。

圖2 工作面柱狀圖

2.切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝原理

（1）無煤柱自成巷力學原理。傳統長壁開采方式需要提前掘進兩條巷道，將其頂板作為長臂懸梁結構。而切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝則是通過對頂板進行切頂卸壓，工作面頂板垮落，當工作面采礦體積等于頂板垮落巖體碎脹體積時，將長臂梁結構轉換為短臂梁結構，改變其受力變形，中斷低位巖梁間的應力傳遞，使巷道和工作面形成兩個獨立的應力場[6]。

（2）無煤柱自成巷工藝流程。切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝核心在于預裂切頂卸壓技術以及NPR錨桿/錨索支護技術。首先，依據設計參數對預留巷道施工恒阻錨索補強支護，該流程需超前施工切縫孔50m進行。其次，依據現場爆破試驗，對裝藥結構進行調整后，避免爆破帶來擾動影響，超前工作面至少50m進行預裂爆破。待工作面回采后，按現場實際情況采用單體或門式支架等對頂板進行臨時支護。最后，在菱形網和鋼筋網之間鋪設風筒布進行擋矸支護，待巷道穩定后回撤單體支架，留巷完成。

3.方案設計

（1）切頂爆破方案。《無煤柱自成巷110工法規范》指出合理預裂切縫深度（H縫）設計與開采高度、頂板下沉量及底臌量有關，可通過式（1）確定：

式中：△H1：頂板下沉量，m；△H2：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1.3，工作面采高H煤為3.4m時，代入式（1）計算得H縫=11.3m，綜合考慮頂板巖性、采空區分布及上述計算結果，預裂切縫孔深度設計為13500mm，線夾角為15°，間距為500mm。

聚能管管長為1500mm，外徑為42mm，內徑為36.5mm。將聚能管安裝至爆破孔內，每孔7根聚能管，采用3+3+2+2+2+2+1的裝藥方式，需要根據現場試驗情況具體調整。

（2）恒阻錨索支護方案。由于巷道穩定性易受切頂及工作面回采擾動影響，至少在超前切縫孔爆破50m以上位置施工恒阻錨索補強支護。考慮切縫孔深度設計為13.3m，將恒阻錨索長度設計為15300mm，直徑為21.8mm，恒阻器長450mm，預緊力不小于25t。

第一列恒阻錨索距留巷正幫900mm，排距1000mm；第二列距第一列1100mm；第三列距第二列1500mm。第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用槽鋼連接（槽鋼平行于巷道走向），第二列恒阻錨索與相鄰的第三列恒阻錨索之間用槽鋼連接（槽鋼垂直于巷道走向）。

（3）擋矸護幫及臨時支護方案。在成巷初期，巷道受動壓擾動影響，利用單體加鉸接頂梁方式進行支護。單體支架垂直巷道走向布置，每排布設4根單體支柱，排距為1000mm。回采側第一列單體緊鄰擋矸工字鋼，第二列單體距離第一列單體1000mm，第三列單體距離第二列單體1000mm，第三列單體距實體煤幫600mm，臨時支護側視圖，如圖3所示。

圖3 架后臨時支護設計斷面

（4）防漏風及防滅火方案。為有效防止漏風及防止自燃發火等現象的發生，通過鋪設鋼筋網+風筒布+菱形網方法，風筒布高度取3800mm，上下各超出300mm，超出部分分別固定到頂底板，并進行有效封閉。清理工作面浮煤，及時噴涂高分子材料，通過加強自然發火標志性氣體監測，達到防漏風及防滅火目的.

（5）防底鼓措施。由于煤層埋深較淺，巷道頂板淋水較大，底板巖石吸水膨脹，后期底鼓量較大。

針對底板軟、底鼓等問題，采取支柱下方加墊工字鋼和鐵鞋，能夠增強頂底板支護強度。為防止支柱鉆底卸壓，降低巷道支護強度，在液壓支柱下加墊400mm大鐵鞋，鐵鞋下并排加墊3根11號工字鋼，鋪平墊實。起到非常好的支護效果。

4.留巷效果分析

(1)礦壓監測結果分析

通過對工作面后方頂板位移進行監測，留巷頂板下沉變形監測，如圖4所示。可以發現：①滯后工作面60m處為頂板快下沉階段，該階段受工作面回采擾動影響較大；②滯后工作面140m，由于受垮落層位升高，頂板下沉量逐漸減小；③為滯后工作面約190m時，此時采空區覆巖垮落活動、巷道頂板巖梁回轉下沉活動逐漸趨于穩定，留巷圍巖結構進入穩定狀態；④為滯后工作面超過190m留巷段，該段留巷圍巖已進入穩定狀態，可進行回撤臨時支護單體，成功留巷。

圖4 留巷段頂板位移變化

(2)留巷效果

10605工作面自留巷以來，已成功留巷約290m，留巷前40m段，受經驗不成熟影響，巷道頂板移進量約0.6～0.8m左右，隨著完善現場施工的不足，后續頂板變形較少，控制在0.3m以內，底板清底鋪設工字鋼后底鼓變形量也得以控制，能夠滿足使用。

(3)經濟效益和技術效益

①10605工作面間煤柱寬度為10m，以留巷長度295m、工作面采高3.5m為例該工作面可多回收1萬噸煤柱，按照1200元/噸價格，節約煤炭資源約1200萬元。

②少掘一條巷道，以掘巷綜合成本約8000元/米計算，按照工作面長度295m計算，該工作面掘進費用約為236萬元。

③解決采掘接續難的問題。采用切頂卸壓無煤柱自成巷技術，節約出4個月的掘巷時間，為礦井的生產提供了保障。

5.結論

（1）基于某礦煤礦煤層厚度大、埋深淺、頂板松軟等問題的復雜條件，提出了適應其礦井的切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝，形成安全可靠的無煤柱開采體系。

（2）確定預裂切縫孔深度為13.3m，角度偏采幫側為15°，預裂切縫孔間距為500mm，采用3+3+2+2+2+2+1的裝藥方式，有效切割頂板巖層。

（3）通過切頂卸壓無煤柱自成巷開采工藝，節約煤炭資源約1200萬元，節約下個工作面掘進費用約為236萬元，解決了采掘接續難題。