切頂卸壓支護技術在漳村煤礦應用

何 良

(潞安環能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

我國煤礦回采巷道的布置方式采用沿空掘巷越來越廣泛，沿空巷道的支護效果和留設的煤柱尺寸有關，煤柱過寬利于巷道維護，但浪費資源，煤柱過窄，巷道位于上區段已回采工作面的應力升高區，巷道頂板巖層回轉垮落需要6個月左右時間，不利于礦井的正常生產接替。漳村煤礦經過60多年的開采，可采煤炭儲量已近枯竭，為提高資源回收率，保證工作面的正常接替，減少巷道支護成本投入，延長礦井服務年限，漳村煤礦在26采區2601工作面風巷提出了超前切頂卸壓沿空掘巷技術，改善了圍巖應力環境，支護效果明顯。

1 工程概況

漳村煤礦26采區位于+480 m水平中部， 2601工作面東面為25采區，西面為27采區，南面為+480 m水平開拓大巷，北面為井田邊界。開采煤層為下二疊統山西組下部的3號煤，煤層結構簡單，煤質為貧煤。

根據地質資料顯示，工作面中部的向斜構造為其主要控制構造，軸部傾伏方向為SW，兩翼坡度為4～6°，受其影響，工作面顯示為中間低，兩邊高，平均高差為30 m。2601工作面風巷斷面設計為矩形，巷寬5.2 m、高3.5 m；沿空掘巷2603風巷位于2601工作面東側，與2601風巷平行布置，間距15 m(中-中)，巷寬5.6 m、高3.8 m。

2 切頂卸壓沿空掘巷圍巖控制原理

利用“定向斷裂切頂卸壓圍巖控制原理”，即在上區段工作面下順槽煤幫側沿巷道軸向全長預先斷裂成縫，老頂能隨工作面推移而及時沿預裂縫切落下來，切斷 A 巖塊和 B 巖塊的層間聯系，為窄煤柱沿空巷道圍巖控制提供良好的應力環境。其作用有兩個:其一，促使采空區頂板及時沿裂縫垮落下來，老頂垮落觸矸提早趨于穩定，減少老頂殘余支承壓力影響時間；其二，促使上下區段老頂失去橫向聯系，減少“弧形三角板”B 塊回轉失穩的影響，避開殘余支承壓力的影響區域。因此，在相鄰工作面巷道切頂卸壓之后，在壓力值明顯減小的煤層中掘進巷道，巷道支護成本和支護難度將大大降低。

3 切頂卸壓支護關鍵技術參數

3.1 切頂高度

窄煤柱沿空掘巷切頂高度公式為：

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

經計算斷頂高度Hm=15 m。結合切頂卸壓原理和老頂厚度，確定最終切頂高度為20 m。

3.2 切頂角度

為了模擬采動過程中頂板的破斷及切頂參數對沿空掘道圍巖穩定性的影響，揭示巖體內部的變形破壞機理，結合現場地質條件，采用三維離散元軟件3DEC，分析切頂角度對巷道頂板卸壓的影響，研究角度分別為-10°、-5°、0°、5°、10°和15°。

從老頂監測曲線對比可以看成：老頂垂直應力分布曲線突然下降的位置就是老頂預裂位置，表明人工定向預裂切頂卸壓控制技術可以有效地切斷老頂層間的應力傳遞，將老頂長懸臂結構切斷形成短懸臂，切落的巖石由于碎漲作用支撐處于彎曲下沉的上覆巖層。對比分析不同切頂角度對老頂垂直應力的影響曲線，當切頂角度為-10°、-5°和0°時，垂直應力下降的位置分布在2601回風巷左側，這個角度進行人工預制裂縫時，老頂巖層水平鉸接形成結構，并不利于老頂切落，導致老頂垂直應力偏高。當切頂角度為5°和10°時，老頂垂直應力分布曲線近似，但垮落形態有所區別，角度為10°時更有利于老頂切落后發生旋轉垮落。當切頂角度為15°時，隨著切頂角度的增加，更有利于老頂發生旋轉垮落，但從應力曲線可以看出，老頂應力不穩定且明顯偏高，表明切頂角度越大，老頂上部巖層懸臂長度越長，導致煤柱應力增加。模擬結果表明切頂角度為10°時，更有利于頂板巖層沿預制裂縫垮落，有助于使巖層沿預制裂縫垮落，如圖1所示。

圖1 不同切頂角度上覆巖層垂直應力監測曲線

3.3 預裂爆破參數

1) 炮孔間距。根據現場試驗，深孔預爆破弱化頂板兩孔之間最大作用范圍為2 m。

圖2 爆破鉆孔布置示意

2) 爆破時機。為了達到預期的效果，即在來壓時頂板能沿著預制裂縫垮落，而且不影響工作面的正常推進，打孔、爆破和回采在工藝上必須相互協調。參考2601工作面初次來壓步距和周期來壓步距，在工作面超前30 m進行預裂爆破，保證采空區頂板在周期來壓作用下，能夠沿著預制裂縫切落。

3.4 超前支護

超前支護采用“錨索懸吊梁”加強支護。

1) 錨索規格。材料為D22 mm×9 300 mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線錨索，排距1 800 mm，錨索托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強度平托板及配套球墊、鎖具。

2) 懸吊梁規格。懸吊梁采用礦用11號工字鋼加工，長度為3 500 mm，布置有2個錨索孔，孔間距為1 800 mm，在錨索孔位置用14 mm方形鋼板墊片加固。在2601風巷頂板靠近煤柱側500 mm處沿巷道方向采用錨索懸吊梁加強支護，如圖3所示。

圖3 巷道圍巖加強支護(mm)

4 切頂卸壓支護效果

現場打鉆及窺視效果如圖4所示。從圖可以看出，定向預裂爆破具有良好的定向作用，孔內沿兩側形成貫通裂隙，保護孔壁非定向位置的完整性，起到了人工定向預裂爆破的效果。

圖4 現場定向預裂爆破效果窺視

5 結 語

漳村煤礦2601風巷和2603進風巷采用定向預裂切頂卸壓控制技術后，有效減少了巷道圍巖變形量，減輕了煤柱承擔的上覆巖層載荷，使圍巖應力集中向深部區域轉移，從而優化圍巖應力環境，降低了巷道的維護成本。切頂卸壓沿空掘巷技術在實施過程中，巷道頂板下垂、片幫、底鼓及沖擊礦壓等現象得到明顯改善。項目實施以來，巷道施工累計長度1 350 m，返修材料費按照3 000元/m，人工費按照1 200元/m計算，巷道維修費共計節省567萬元。該技術不僅在整個潞安礦區具有廣泛的應用前景，而且在國內類似條件的礦區也有重要的借鑒意義和推廣價值。