切頂卸壓沿空留巷技術研究及應用研究

田志勇

（西山煤電集團總調度室，山西太原030053）

留煤柱是礦山開采煤炭資源的常用手段，煤炭工業化、機械化的發展使得這種開采方法的弊端不斷增大，造成了許多事故。沿空留巷技術不僅能擴大煤炭的回收率，提高開采效率，還能降低開采風險。由于上覆蓋巖旋轉下沉產生的動載荷，傳統沿空留巷巷旁充填體會被破壞，切頂卸壓技術可以減弱動載荷對充填體的影響。

1 國內外沿空留巷研究現狀

1.1 國內

從20世紀70年代開始，國內開始研究沿空留巷技術，起初，國內對其的研究應用借鑒了國外的經驗，但成效不如人意。經過我國學者對其的一系列探討、研究和實踐，國內的沿空留巷進入到了新時期。國內對沿空留巷技術的研究歷程可分為4個階段。在第一階段，采用矸石堆垛進行巷旁充填，發揮支護作用，山東、遼寧等省份都曾采用這一手段。利用矸石堆垛支護的缺點是會導致巷內嚴重變形，且不能發揮很好的隔離作用。巷內嚴重變形的原因是矸石沉縮量大，使頂板過量下沉，最終導致巷內變形。在第二階段，主要研究內容是沿空留巷的巷旁充填體材料，提出了具有創新性的砌體墻法和密集支護法等。砌體墻法即用人工砌墻作為巷旁充填體，這種方法能取得很好的隔離效果，但由于與頂板接觸困難，經常出現空頂現象，導致不能對頂板巖層起到有效的支撐作用。密集支護法與頂板接觸良好，但隔離效果差，支護效果一般。在第三階段，這一階段位于20世紀80年代后期至90年代前期，高水充填材料開始被應用于沿空留巷。高水充填材料能實現大范圍充填，且施工機械化程度高，但不能預防突發情況，因此不能被大面積使用。在第四階段，即近幾年，巷旁充填材料得到了革新，由第三階段的高水充填材料轉變為膏體充填材料。利用膏體材料充填，再采用合適的工藝和設備進行充填能成功完成留巷，并實現煤與瓦斯共采，避免瓦斯堆積，從而大幅度地減小了瓦斯爆炸的風險。

在理論研究和現場實踐方面，我國對沿空留巷的研究取得了大量的成果。利用理論、數值模擬、現場實測等方法，我國的學者不僅確定了合理的留巷位置，還計算出了巷旁支護阻力臨界值和巷旁充填墻體最優充填長度，并得出了加強煤壁支護能有效控制圍巖變化的結論，同時還解決了沿空留巷中存在的許多問題。如，通過刷幫解決刷幫前巷道不能被下一區段工作面使用的問題。除上述內容外，我國學者的研究成果還包括深淺、傾角、煤厚對巷旁支護材料選擇的影響，不同情況下有效巷旁支護方案的制定，鋼管與混凝土聯合的支護方式等等。

1.2 國外

國外對沿空留巷的研究起步較我國更早，進行了大量的研究工作后，國外在沿空留巷方面也取得許多成就，值得一提的是，由于不同國家在這方面的研究目的不盡相同，其取得的成就也存在一些差異。如，前蘇聯、英國等一些注重一次能源利用率的國家最早提出并采用無煤柱護巷的開采方式，這些國家在留巷圍巖變形機理，巷內、巷旁支護這幾方面進行了深入地研究，并對新材料墻體開展了大量研發工作。早在20世紀60年代，前蘇聯就已經開始推廣沿空留巷技術，并根據具體的礦區特點對巷旁支護材料進行選擇。沿空留巷技術的適用對象主要是薄層、中厚層煤層，頂底板巖性較硬的煤層。B.胡托爾諾依，一名蘇聯學者，提出了壓懸梁理論，建立了壓懸梁力學模型，進而推導出了巷旁支護阻力的計算公式。德國更重視煤礦開采通道的循環使用，西德時期其在煤礦中應用的多種巷旁充填材料都發揮了良好的應用效果。

2 切頂卸壓在沿空留巷中的作用

通過LS-DYNA數值模擬與理論相結合的方法，陳勇等學者對導向孔對應用于厚層堅硬頂板的切頂卸壓手段的作用，得出了導向孔螚顯著影響頂板預爆破效果的結論。采用理論分析、數值模擬、現場實測這些手段對切頂卸壓技術在薄煤層沿空留巷的應用進行深入探究后，孫曉明等學者發現，切頂高度、角度，爆破孔隙間距都會對薄煤層切頂卸壓沿空留巷產生重要的影響作用。白皎礦瓦斯突出、煤層賦存條件復雜，難以開采的問題在張國鋒等學者的努力下得到了解決，這些學者采用的技術主要有切頂卸壓沿空留巷、Y型通風、瓦斯抽采。王維維等學者成功解決了切頂卸壓沿空留巷中頂板難以控制、生產接替緊張等問題。

3 上覆巖層的分類

推進工作面后，上覆壓力會對冒落帶產生作用，使其垮落，如果碎脹性系數較高，可以比較容易地完全充填采空區，將礦壓轉移到采空區側，從而減弱巷道圍巖應力。如果冒落帶的巖層巖性較硬，則不會被上覆壓力作用至垮落，而容易造成大面積懸頂，當冒落帶達到極限跨斷長度時突然斷裂，給工作面造成強大的沖擊壓力，這一現象很容易造成事故。冒落帶在工作面推進后是否能夠自行垮落主要取決于冒落帶巖層的巖性、冒落帶的高度和冒落帶巖層的完整程度。

裂隙帶內的堅硬巖層承擔了裂隙帶的主要壓力，堅硬巖層的上部覆蓋了軟弱巖層，工作面推進后，上覆蓋壓力不斷增大，當堅硬巖層承受的壓力超過其最大承受能力時會斷裂，斷裂的巖塊在水平推力的作用下會形成鉸接結構。裂隙帶鉸接結構能將裂隙帶受到的上覆壓力計自重重力轉移向采空區的冒落矸石，從而使工作面不出現明顯的礦壓現象。裂隙帶是否存在鉸接結構的決定因素是裂隙帶是否存在堅硬巖層。堅硬巖層上覆蓋的軟弱巖層的跨段節奏與堅硬巖層的跨段節奏一致，以煤層上方第一巖層為基礎，由組合梁理論和相關公式可做出以下判定：當第二層對第一層作用載荷比第一層自身載荷小時，第二層為硬巖層；在此基礎上以第二層為基礎進行判定，以此類推，則可判斷出工作面覆巖中存在的所有堅硬巖層。

將冒落帶巖層是否能夠自行垮落并是否能夠充填滿采空區，裂隙帶內是否有堅硬巖層作為2個判定因素，則可將上覆巖層分為4類。Ⅰ類，冒落帶巖層能自行垮落并充填滿采空區，裂隙帶內存在堅硬巖層；Ⅱ類，冒落帶巖層自行垮落困難，或是僅少量巖層會自行垮落，不能充填滿采空區，但裂隙帶內存在堅硬巖層；Ⅲ類，冒落帶巖層自行垮落困難，或是僅少量巖層會自行垮落，且裂隙帶內不存在堅硬巖層；Ⅳ類，冒落帶巖層能自行垮落并充填滿采空區，但裂隙帶內不存在堅硬巖層。若覆巖結構為Ⅰ類，巷道圍巖應力將轉移至才采空區側，裂隙帶容易形成鉸接結構，巷道維護與其他幾類相比最容易。若覆巖結構為Ⅱ類，則冒落帶容易出現猛然斷裂的情況，造成較大的沖擊壓力，為了降低工作面支護工作的難度，除了裂隙帶鉸接結構的作用，還應采用人工切頂方法，并對覆巖進行人工放頂，讓矸石充填采空區。若覆巖結構為Ⅲ類，由于采空區不能被冒落帶充填滿，同時裂隙帶又不能形成鉸接結構，工作面的支護工作與其他幾類相比難度最大。若覆巖結構為Ⅳ類，采空區會被垮落的冒落帶矸石充填滿，因此，盡管裂隙帶不能形成鉸接結構，依然會以載荷負載在冒落帶內，但采空區容易形成自然拱結構。

4 切頂卸壓沿空留巷技術

切頂卸壓沿空留巷是一項新的留巷工藝，它更是一項系統性的工程，這項工程的實現和完成是隨著工作面的推進而進行的。切頂卸壓沿空留巷技術的主要內容如下：首先，開采工作面之前，那些要準備進行切頂卸壓沿空留巷施工的巷道需要被加固支護，并進行頂板預爆破定向切縫，以便將這些巷道與采空區頂板一定深度內存在的聯系切斷；其次，在進行工作面回采時，已經進行頂板定向預爆破操作的巷道逐步進入采空區，利用老頂來壓，使采空區頂板斷裂下沉，自動成巷；最后，預留機巷，將其作為下一工作面的風巷。

4.1 支護方式

切頂卸壓沿空留巷技術保留的巷道會受到2次劇烈的采動影響，分別是掘進和采煤造成的影響，這2次劇烈的采動影響會使得礦壓劇烈顯現，以礦壓顯現普遍規律和白皎煤礦自身礦壓顯現特點為依據進行研究分析，可以得出聯合支護的總體思路，由于井下的地質條件比較復雜，而采場推進過程會改變上覆巖層的賦存情況，進而使覆巖出現有規律的運動，應采用“巷內基本支護”+“巷內加強支護”+“動壓臨時支護”的聯合支護方式。

4.2 切頂原理

切頂卸壓技術指的是為了切斷預留巷道與采空區頂板一定深度內存在的聯系而對沿空留巷頂板進行定向預爆破，從而使采空區老頂來壓時預留巷道受到的不利影響減少。切頂卸壓技術的爆破是通過雙向聚能張拉爆破裝置實現的，這一裝置是一種新型的聚能裝置，它的本質其實就是聚能管。這個裝置是傳統爆破裝置的一個延伸裝置，是為了適應雙向聚能拉張成型爆破技術而專門研發出的產品。雙向聚能張拉爆破與其他控制爆破存在的最大區別就是利用雙向聚能裝置在斷裂方向集中拉應力，利用此應力實現巖體的斷裂。雙向聚能張拉爆破裝置的優點主要有2個。第一，能使預定方向的巖石實現預裂爆破。第二，對于非預定斷裂方向的巖體，能保持其完整性，從而保持預留巷道頂板完整性。

4.3 切頂卸壓沿空留巷力學原理

推進工作面，堅硬的直接定初次垮落使得采空區形成懸頂，隨后發生周期性斷裂垮落。以李鴻昌教授在堅硬頂板力學模型的相關研究理論為依據，可將堅硬頂板簡化為一個懸臂梁，懸頂區內的基本支柱的支護作用則可簡化為三角形分布。在此基礎上對頂板進行力學分析研究可得，沿空留巷巷旁支護阻力滿足某些特定條件時，堅硬頂板會在巷旁支護處斷裂。為此，選擇高強材料作為巷旁充填體，并選擇高阻力材料進行支護，可以實現對堅硬頂板的有效控制，增強巷道穩定性，降低巷道維護難度。

5 小結

將切頂卸壓沿空留巷技術廣泛推廣應用，不僅能有效解決西南片區煤礦采掘工作面中存在的一些難題，大大降低煤礦采掘的瓦斯風險，降低勞動強度，優化煤礦開采的安全效益，還能提高煤礦采掘的經濟效益。為此，對切頂卸壓沿空留巷技術及其應用進行研究具有重要的現實意義。