益新煤礦43073工作面緩傾斜煤層切頂卸壓無煤柱自成巷技術應用研究

孫錦華

摘 要：益新煤礦與中國礦業大學（北京）合作，在三水平北一石門7號層三段（43073工作面）回風巷實施切頂卸壓無煤柱自成巷技術適應性應用試驗，該試驗對自成巷工藝流程及作用機理進行了改進和實踐，同時作為全國首例在煤層傾角18°條件下留設上巷回風巷的切頂成巷技術試驗應用，研究針對試驗順槽進行了切頂關鍵參數優化設計，于現場進行了成功實地工程試驗。試驗結果表明：矩形巷道段最終頂底板移近量為600mm，兩幫移近量為750mm，拱形巷道段最終頂底板移近量為459mm，兩幫移近量為520mm，留巷變形量較小，可以滿足相鄰工作面回采需求。

關鍵詞：切頂卸壓;自動成巷;恒阻大變形錨索;緩傾斜

中圖分類號：F403.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）07-0183-02

0 引言

現階段，由于科學技術的發展，不僅國外地下采煤的機械化程度提高，國內的機械化程度也不斷發展，所以現在煤炭產量呈現出每年增長的局面，但是伴隨而來的煤炭浪費現象也非常嚴重[1]。現在井工礦依舊沿用傳統的開采方式，即留設煤柱，這種開采方式有著很多缺點，比如說浪費煤炭資源，以及巷道掘進的工作量增加等，嚴重制約了礦井煤炭采出率的進一步提高，因此亟需優化改進。

何滿潮院士在2008年提出了“切頂短臂梁理論”以解決上述問題，并在白皎煤礦進行了實驗，首次實現近水平條件下的切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術[2]。經過近幾年的試驗應用，切頂卸壓無煤柱自成巷技術獲取了大量研究成果，如高玉兵等通過建立力學模型，分析研究沿空切頂巷道圍巖結構演化過程和力學作用機制機理，提出了切頂成巷穩定性控制體系[4];孫曉明等采用數值模擬和工程試驗相結合的研究方法，對薄煤層切頂卸壓沿空留巷切縫角度、切縫高度等參數進行研究[3];何滿潮等基于切頂短臂梁理論，分析無煤柱切頂自成巷技術原理，綜合運用理論分析、數值模擬及現場實測，研究了無煤柱自成巷聚能爆破機制，對工作面和巷道礦壓分布進行區段分析。眾多學者的研究均集中針對近水平煤層條件，而對于緩傾斜煤層地質條件下切頂卸壓自成巷技術的研究相對欠缺。為進一步完善切頂卸壓無煤柱自成巷技術體系，本文以益新煤礦43073緩傾斜煤層作為工程實例，對該典型條件下的留巷工藝及效果進行總結、分析，研究成果對切頂卸壓自成巷技術的進一步推廣和優化具有一定借鑒意義。

1 切頂成巷機理及工藝流程

在何滿潮院士的“切頂短臂梁理論”下，進一步提出了切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術，該項開采技術的原理是：對預留煤礦開采的巷道頂板進行加強支護，所采用的錨索為恒阻大變形錨索，為了使得采空區頂板，以及煤礦巷道頂板兩者之間形成切縫結構面，以此將兩者的應力傳遞路徑順利斷開，需要沿著工作面將采空區側頂板進行超前預裂切縫，這樣，便能夠改變留巷頂板的受理結構，使其從長臂梁轉為短臂梁。在工作面回采之后，采空區切縫高度范圍內的巖層在來壓作用下沿切縫面垮落，從而形成巷幫，以此便形成了無煤柱自動成巷。切頂留巷技術原理圖見圖1。

上文介紹了切頂成巷機理，依據現場具體的實驗情況，歸納了相對應的工藝流程，總結步驟如下：第一步，施工恒阻大變形錨索，以此完成對留巷順槽頂板補強支護;第二步，在工作面前方一定距離內切割縫孔，實施雙向聚能爆破，以此促進頂板切縫的形成;第三步，布置架后臨時支護以及擋矸支護，注意要用單體支柱進行臨時支護;第四步，采空區頂板沿著切縫面逐漸垮落壓實并形成巷幫，等到巷道逐漸穩定以后，將臨時支護逐一撤回，留巷工作便完成了。

2 工程概況及關鍵參數設計

2.1 工程概況

試驗工作面43073工作面傾斜長度為150m，走向長度為390m，采高3.6m，全工作面平均煤層傾角為18°，工作面地面標高為270～364m，工作面標高為-170～210m，埋深范圍為440～574m。巷道頂底板巖性分布：直接頂為細砂巖和粉砂巖，厚度分別為1.45m和1.2m;直接底為細砂巖，厚度6m;基本頂為中礫巖，厚度5.5m;基本底為粗砂巖，厚度19.3m。

2.2 關鍵參數設計

對切頂高度的參數以及切頂角度參數進行確定。

預裂切縫高度臨界的公式為：

（1）

在該公式中，H縫代表著預裂切縫高度;ΔH1代表著頂板的下沉數量，單位是米;ΔH2代表著底臌數量，單位是米;K代表著碎漲系數，一般情況下會在1.3-1.5的范圍內取值。依據頂板鉆孔的具體情況，碎漲系數取1.4。根據益新煤礦的資料可以得知，該煤礦的煤層厚度小，工作面的采高一級設計切縫的深度取值，可以不考慮底臌及頂板下沉的情況，數值分別為3.6米和9.0米。

在設計過程中，為了降低切落頂板掉落的時候對留巷頂板的作用力，也為了讓切縫頂板在掉落的過程中更加順利，切縫孔要和鉛垂線形成一定夾角，該項施工的切縫角度取值為10度。

3 現場應用效果

3.1 成巷施工過程

根據上述工藝分析及切縫關鍵參數設計，于現場實施切頂卸壓無煤柱自成巷試驗。主要實施過程分為恒阻錨索支護、切縫預裂爆破、臨時支護三個部分。按照斷面形狀不同，將43073留巷順槽分為前150m矩形巷道和后210m拱形巷道兩段。

煤礦的巷道頂板在切頂留巷過程中，會遭到多方面的動壓影響，包括巷道掘進、初次來壓、巷道復用回采等。所以，要運用恒阻大變形錨索來加強巷道頂板的支護，從而確保成巷過程以及二次服用階段，巷道頂板圍巖的堅固和穩定程度。

本試驗中恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，矩形斷面巷道在原支護基礎上共布設2列，第一列恒阻錨索設計距原巷幫500mm，間距1000mm，第二列恒阻錨索位于巷道正中央，間距2000mm;拱形斷面巷道位于巷道正中央布設一列恒組錨索，間距1000mm。，為提高頂板的整體強度，靠近切縫側第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用W鋼帶連接（平行于巷道走向）。

雙向聚能張拉爆破關鍵技術是頂板預裂切縫。該技術通過炸藥和聚能管的結合使用，爆破后可在兩個設定方向上形成聚能流，并產生集中張拉應力，進而實現頂板巖體預裂。此次是在現場試驗的基礎上，根據對實驗結果總結分析得到預裂裝藥結構為4+3+2+1，封泥長度為3m，炮孔間距為500mm，采用三級煤礦乳化炸藥，炸藥規格為Φ28×200mm/卷。

為使留巷在復用期間能夠滿足正常生產使用需求，留巷需維持一定寬度。工作面開采一定距離后，頂板逐漸開始發生垮落，且從垮落到頂板穩定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區域在頂板原有支護的基礎上，還需臨時補強支護。根據現場監測結果，于43073工作面架后200m范圍留巷段內進行臨時補強支護。

矩形斷面巷道內采用單體液壓支柱臨時補強支護，單體與碎石幫距離依次為1000mm、2000mm、3400mm、4200mm。成巷穩定后，可將臨時支護單體液壓支柱撤掉，將切頂卸壓支架移到架后進行支護，只保留U型鋼進行擋矸。

拱形斷面巷道內同樣采用單體液壓支柱進行臨時補強支護，但由于拱形斷面順槽采用U型棚支護，對兩幫具有一定支護效果，因此不再額外實施U型鋼擋矸支護。

3.2 成巷效果分析

通過切頂卸壓無煤柱自成巷開采技術的應用，益新煤礦43073工作面輔運順槽留巷成功實施。留巷過程中采用雙十字測點法對巷道頂底板移近量及兩幫移近量進行監測，監測測站距離切眼50m，位于矩形段內，監測測站距離切眼180m，位于拱形段內。根據監測結果可以看出，根據頂底板及兩幫移近量變化的快慢可將頂板下沉過程分為兩個階段：第一階段為從開始開采到工作面推進至相應測站前30m處的區間，此階段頂板移近量變化較快，呈現“陡增”趨勢;第二階段為從工作面位于相應測站前30m處直至數據采集結束，該階段頂板仍然會出現持續下沉，但是下沉速率較第一階段更為緩慢。最終矩形斷面巷道頂底板移近量600mm，兩幫移近量750mm;拱形斷面巷道頂底板移近量459mm，兩幫移近量520mm。拱形斷面巷道移近量小于矩形斷面巷道，且兩種留巷斷面均可滿足43072工作面復采需求。

4 結論

（1）以益新煤礦緩傾斜煤層43073工作面作為工程實例，進行切頂關鍵參數設計，得到關鍵參數：切頂深度9m，切頂角度10°。

（2）以切頂關鍵參數為依據，最終矩形斷面巷道頂底板移近量600mm，兩幫移近量750mm，拱形斷面巷道頂底板移近量459mm，兩幫移近量520mm，拱形斷面巷道移近量小于矩形斷面巷道，且兩種留巷斷面均可滿足43072工作面復采需求。

參考文獻

[1] 薛毅.從傳統到現代：中國采煤方法與技術的演進[J].湖北理工學院學報（人文社會科學版），2013，30（5）：7-15.

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[3] 馬新根，何滿潮，王炯等.雁崖煤礦8304工作面沿空留巷條件下切眼后方硐室支護設計研究[J].煤炭科技，2017，36（12）：30-33.

[4] 高玉兵，郭志飚，楊軍等.沿空切頂巷道圍巖結構穩態分析及恒壓讓位協調控制[J].煤炭學報，2017，42（07）：1672-1681.

[5] 孫曉明，劉鑫，梁廣峰等.薄煤層切頂卸壓沿空留巷關鍵參數研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33（7）：1449-1456.