薄煤層切頂卸壓沿空留巷技術研究與實踐

李嵚

（山西焦煤西山煤電東曲煤礦，山西 古交 030200）

1 概況

東曲礦位于古交市東南，井田面積78km2，地質儲量8.9億t，可采儲量4.7億t，礦井設計生產能力400萬t/a。19109工作面位于東曲礦二采區，工作面水平標高-860 m，南為采區下山煤柱，西部為28205工作面采空區，東部為E325斷層保護煤柱，北為工業廣場保護煤柱。19109工作面頂板主要以砂質泥巖、細砂巖為主，巷道頂板采用錨網＋錨索的支護方式，巷道兩幫采用Φ18×2200mm等強全螺紋錨桿+W鋼帶+金屬網支護。19109工作面所采4#煤層平均厚度3.2m，煤層平均傾角16°，4#煤層直接頂為砂質泥巖、細砂巖，厚9.06m；基本頂為細砂巖、粉砂巖、泥巖，平均厚度10.8m。煤層頂底板巖層分布情況見表1。

表1 煤層頂底板巖層分布情況

2 切頂卸壓沿空留巷技術

2.1 切頂卸壓沿空留巷技術原理

切頂卸壓沿空留巷技術采用雙向聚能預裂爆破技術使巷道頂板按預定方向預裂，充分利用礦井周期性來壓沿空切頂，形成對上覆巖層頂板的支撐，降低了對留巷段的應力作用，隨著采面的推進，后方的頂板在應力作用下按預定方向裂縫垮落形成巷幫，實現沿空留巷。

2.2 切頂卸壓沿空留巷施工工藝

（1）在工作面切頂卸壓預定爆破區30m范圍內采用巷內恒阻大變形錨桿（索）+液壓支架進行超前支護；

（2）施工切縫孔爆破切縫；

（3）按預定方向進行預裂爆破；

（4）在工作面前50m范圍采用液壓支架+Π型梁進行超前支護，對巷道的變形情況進行監測；

（5）在工作面后50m范圍采用巷旁密集單體液壓支柱＋液壓支架+36U型鋼支架+錨網聯合支護技術進行支護；

（6）頂板在應力作用下按預定方向裂縫垮落形成巷幫；

（7）工作面液壓支架自機頭向機尾依次抽出并調向，在工作面后100m處采用錨網+36U型鋼支架進行聯合支護，完成沿空留巷。

3 頂板預裂爆破技術

在19109工作面50m處點切縫眼眼位，布置炮眼，實行雙向聚能爆破。采用錨網+36U型鋼支架將采空區與留巷區隔斷，切斷應力傳遞途徑，降低應力對沿空留巷段的擾動，形成對上覆巖層頂板的支撐作用。

3.1 預裂切縫深度

預裂切縫深度（H縫）臨界設計公式如下：

式中：

ΔH1-頂板下沉量，mm；

ΔH2-底鼓量，mm；

K-碎脹系數。

由于19109工作面頂板巖層主要為砂質泥巖、細砂巖，巖石的碎脹系數取值詳見表2。砂質泥巖的碎脹系數取1.2，中硬砂巖的碎脹系數取1.5。在設計中由于煤層變化小，較穩定，可不考慮底鼓量、頂板下沉量。僅考慮采動影響和煤層頂板情況、成縫率，將數值代入公式計算出頂板預裂切縫鉆孔深度為8m。

表2 巖石的碎脹系數

3.2 實施雙向聚能預裂爆破

19109工作面巷道切縫孔布置在巷道回采側巷幫，距巷道回采側巷幫200mm切縫孔并與鉛垂線形成20°夾角，間距為0.8m，深度8m，孔徑56mm。

采用1.5m特制聚能管，爆破器材使用二級煤礦許用乳化炸藥，藥卷規格為Φ35mm，長200mm。將聚能管安裝于炮孔中，每孔裝5個聚能管，裝藥10卷，每次正向起爆15個孔。雙向聚能裝藥結構如圖1所示，切頂卸壓炮孔布置斷面如圖2所示。

圖1 雙向聚能裝藥結構

圖2 切頂卸壓炮孔布置斷面圖（單位：mm）

4 巷道支護設計

4.1 超前支護區

超前支護區指距工作面超前30m的范圍內巷道。由于該區域位于工作面超前采動影響區，采用π型梁+單體液壓支柱+液壓支架進行聯合支護。沿巷道傾向布置鋼棚，采用“一梁三柱”，棚距0.8m，總支護長度保證在30m以上。超前支護單體液壓支柱間距1600mm，排距800mm。超前液壓支架靠巷道下幫，距巷道中心線300mm，支架間距80mm，支架初撐力應大于15MPa。

4.2 后部支護區

后部支護區指距工作面后100m的沿空留巷范圍。巷道受動壓影響嚴重，頂板壓力較大，采用36U型鋼支架+單體柱支護＋液壓支架進行擋矸支護。單體支柱排距800mm，間距400mm。36U型鋼支架必須與切縫孔連線對齊。

4.3 成巷穩定區

成巷穩定區指工作面100m之后的范圍，該區域巷道受采動影響較小，基本較為穩定，巷道頂板下沉量及單體支柱的壓力變化小，可將該區域臨時支護的單體液壓支柱撤掉，只保留36U型鋼支架及π型梁進行擋矸。待液壓支架撤掉后，在π型梁下加設1根單體液壓支柱形成“一梁四柱”的支護結構，支柱布置在巷道下幫，距巷道中心線300mm，初撐力應大于60MPa。

5 應用效果分析

為了驗證薄煤層切頂卸壓沿空留巷技術的效果，選取19109工作面對巷道圍巖應力進行監測，距工作面60m，160m，320m，600m處分別設置1個監測區，回采期間巷道圍巖移進量監測結果如圖3所示。

圖3 回采期間圍巖移近量

由圖可知：19109工作面第1測區，巷道兩幫最大移近量350mm，巷道頂板最大移近量105mm；回采期巷道兩幫最大移近量230mm，巷道頂板最大移近量135mm；距工作面100m處巷道圍巖變形，距工作面50m處圍巖變形嚴重，雖巷道圍巖變形，但整體留巷效果不錯，采用的聯合支護方式能夠有效控制圍巖變形。

6 結語

（1）切頂卸壓沿空留巷技術在東曲礦19109工作面成功應用，減少巷道掘進工作量50%，解決了沿空掘巷頂板難于控制和采掘接替緊張的問題。

（2）在沿空留巷的支護方面通過采用恒阻大變形錨桿（索）＋巷旁密集單體液壓支柱＋液壓支架聯合支護技術，與以往砌料石和澆筑混凝土墻相比，減少勞動強度和支護維修量。采用切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術，消除了留設煤柱導致的應力集中現象。

（3）切頂卸壓沿空留巷技術與留設煤柱相比減少巷道掘進量，回采期間沿空留巷490m，工程造價3506元/m，比原設計錨網+工型棚聯合支護，少掘進320m，節約112萬元。回收25m寬留設煤柱資源約560萬，具有顯著的經濟、社會效益。