鏈臂鋸切割造縫切頂卸壓技術及應用

劉錦榮，姚強嶺，賈 淵，馬軍強，夏 澤

(1.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037003；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116)

大同礦區是我國典型的堅硬頂板礦區[1]，目前正在開采的石炭系煤層頂板堅硬且完整，工作面回采后基本頂不能及時垮落[2，3]，甚至形成永久性的懸臂結構，對沿空掘巷的圍巖支護十分不利[4，5]，因此有必要在上區段工作面回采過程中沿煤柱對巷道頂板構造人工的結構弱面，實現切頂卸壓，使得工作面回采過后頂板能夠及時垮落采空區，減小由于側向懸臂結構施加于巷道圍巖的載荷，降低沿空巷道控制難度。

切頂卸壓技術是通過人工干預的方式，有目的地弱化或者破壞頂板巖層的結構完整性和改變頂板巖層的強度特性，使得頂板巖層的強度大幅度下降，達到切斷堅硬頂板、改變巷道圍巖受力狀態的目的。

何滿潮等對無煤柱自成巷切頂爆破關鍵參數設計方法進行了總結和優化，提出了無煤柱開采切頂卸壓自成巷技術并且提出了切頂爆破設計的系統化流程及方法[6，7]；Chen研究了深孔爆破技術控制堅硬頂板的卸壓機理[8]；張自政等通過數值計算手段研究了淺孔爆破有效應力的演化和傳播規律，并結合理論計算推導確定淺孔爆破的相關參數[9]；陳勇等分析了導向孔在淺孔爆破卸壓過程中的作用機理，探究了爆破參數與爆破效果的之間的關系[10]；張農等提出了沿空留巷頂板深孔爆破預裂卸壓機理[11]；張書軍[12]等針對厚硬頂板工作面高強度來壓致災事故頻發等問題，通過預裂爆破切頂措施降低工作面來壓強度，黃炳香等提出了水力壓裂技術弱化控制堅硬頂板的理論和控制沿空巷道強礦壓顯現等方面的成套工藝技術體系[13-16]；于斌等通過開展水力壓裂弱化煤層上覆堅硬頂板，解決了沿空巷道強礦壓顯現的問題[17]；吳擁政研究了通過定向水力壓裂技術弱化堅硬頂板、改善圍巖應力以解決沿空巷道的強礦壓問題[18]，劉愛卿[19]、楊健[20]針對高應力巷道維護困難問題，通過實施水力壓裂切頂卸壓，改善了巷道圍巖所處的應力環境狀態，降低了巷道圍巖控制的難度，在現場取得了良好的應用效果。

由于聚能爆破切頂卸壓技術和水力壓裂切頂卸壓技術存在施工工藝復雜、進度慢和安全性等問題，根據同煤集團開發的鏈臂鋸切割造縫切頂卸壓技術，研究了鏈臂鋸切斷頂板后巷道圍巖應力的時空演化規律，對鏈臂鋸切頂卸壓技術的推廣應用具有指導意義。

1 工程概況

8311工作面為塔山煤礦三盤區下階段的主采工作面，為保證正常采掘接續和提高煤炭資源采出率，在8311工作面回采結束前完成8312工作面2312巷的掘進工程，8311工作面與8312工作面間僅留設6.0m小煤柱，采掘工程布置方案如圖1所示。

圖1 采掘工程布置方案

塔山三盤區8311工作面主采山4#煤層，其地表最大標高為1526m，最小標高為1415m，工作面標高993～1010m。8311工作面頂板中存在堅硬、完整的厚巖層，山4#煤層頂板情況如圖2所示。

圖2 8311工作面巖層柱狀

8311工作面頂板覆巖中存在堅硬、完整的厚巖層，8311工作面回采過程中，8311工作面端頭易形成了大面積的沿采空區的側向懸頂，側向懸頂給沿空巷道的巷內支護施加了較大的附加載荷。2312巷靠近采空區側頂板出現了較大的頂板下沉，導致2312巷覆巖中直接頂與基本頂之間有較大的離層現象，甚至形成永久性的懸臂式結構，大大增加了煤柱的載荷，極有可能造成2312巷變形急劇增加，進而影響其圍巖穩定性；并且，塔山煤礦有限公司三盤區堅硬頂板互層密集，互層厚度變化較大，對切頂卸壓造成極大的不利影響，常規切頂方式效果較差，切縫貫通率較低，切面凹凸不平，導致沿空側側向懸頂給巷內頂板產生較大的附加作用力。

2 礦用鏈臂鋸連續切割機主要技術參數

圖3 礦用鏈臂鋸連續切割機外形

鏈臂鋸切割造縫切頂卸壓技術是同煤集團基于鏈臂鋸切縫無煤柱切頂卸壓留巷的技術理念開發的一項利用鏈臂鋸體在激光對刀、刀臺側移等機構輔助下實現連續、精準、弱擾動、高效率的回采巷道切頂技術。

礦用鏈臂鋸連續切割機是鏈臂鋸切割造縫切頂卸壓技術的核心裝備，其主要組成包括平臺、切割部、行走部、潤滑系統、液壓系統、電控系統、軌道、起吊裝置等，外觀如圖3所示。礦用鏈臂鋸連續切割機具有以下優點：①無需注水，可干切；②采用低速刨削形式，高效刀具潤滑，不易產生火花；③無需預先鉆孔省去輔助時間；④切割面平整完好，成形效果好；⑤可連續切割，效率高、勞動強度低，操作省力；⑥截齒采用圓形聚晶金剛石，硬度是傳統材料的10倍以上，一般使用壽命不小于1000h；⑦采用內、外噴霧系統，有效防塵；⑧采用激光點、刀臺側移動和小角度偏擺機構可精準高效對刀。鏈臂鋸連續切割機具體技術參數見表1。

表1 礦用鏈臂鋸連續切割機技術參數表

3 鏈臂鋸切頂卸壓現場應用及分析

3.1 鏈臂鋸切頂卸壓現場應用

根據上述鏈臂鋸切割造縫切頂卸壓技術方案于2018年12月25日至2019年2月7日進行現場工業性試驗，在切割頂板過程中，鏈臂鋸充分發揮其技術優勢，切縫率為100%，且切割面平整。鏈臂鋸切頂有兩個現場工業性試驗段，距離8311開切眼為5m和220m，第一試驗段長14m，第二試驗段為外錯相連長13m，分布位置如圖4所示。

圖4 鏈臂鋸切頂現場工業性試驗范圍

通過在2312巷煤體和煤柱內設置鉆孔應力傳感器監測支承壓力和煤體應力演化特征，鉆孔應力計布置如圖5所示，得到采動影響下工作面側向支承壓力的分布特征及采動擾動影響范圍。2312巷煤柱側深部應力隨工作面推進變化如圖6所示。

圖5 鉆孔應力計布置

圖6 鏈臂鋸切頂卸壓煤柱鉆孔應力隨工作面推進變化曲線

3.2 2312巷煤柱側應力變化規律

通過對比分析鏈臂鋸切頂卸壓段和無切頂卸壓段的煤柱深部應力變化曲線，可知：①隨著工作面的推進，2312巷煤柱深部應力表現為先增大后減小，最后趨于穩定的規律；②巷道掘進后直至測站進入工作面回采超前區域前，鏈臂鋸切頂卸壓對頂板圍巖結構與力學性能影響較小，切縫后頂板應力狀態不發生明顯改變，2312巷煤柱深部應力較為穩定；工作面推進至測站前40m處，2312巷煤柱深部應力開始上升；工作面推進至測站附近，煤柱深部應力達到峰值并開始下降；8311工作面推過測站75～100m后，測站附近8311工作面采空區煤柱深部壓力與煤體深部壓力達到穩定狀態。

3.3 2312巷實體煤側應力變化規律

2312巷煤體深部應力隨工作面推進變化如圖7所示。通過對比分析鏈臂鋸切頂卸壓段和無切頂卸壓段的煤體深部應力變化曲線，可知：①隨著工作面的推進，2312巷煤體深部應力表現出先增大后趨于穩定的表現形式；②巷道掘進后直至測站進入工作面回采超前區域前，鏈臂鋸切縫后頂板應力狀態不發生明顯改變，2312巷煤體深部應力較為穩定；工作面推進至測站前40m處，2312巷煤體深部應力開始上升，增幅小于煤柱深部應力；工作面推進至測站附近，煤體深部應力進一步增大；8311工作面推過測站75～100m后，煤柱深部壓力與煤體深部壓力達到穩定狀態；③鏈臂鋸切縫試驗段煤體圍巖應力峰值普遍小于無切頂操作試驗段。無切頂操作試驗段煤壁內部15m處鉆孔應力增量達6.0MPa，鏈臂鋸切頂卸壓試驗段煤壁內部15m處鉆孔應力增量分別為2.8MPa，明顯低于無切頂試驗段。

圖7 鏈臂鋸切頂卸壓煤體鉆孔應力隨工作面推進變化曲線

4 結 論

1)在工業性試驗過程中，鏈臂鋸切割造縫充分發揮其成縫效果較好的優點，在錨桿支護范圍內成縫率可達100%。

2)回采過程中，由于煤炭資源采出，頂板結構發生變化，頂板載荷向臨近工作面轉移，導致煤體和煤柱幫圍巖應力上升，而鏈臂鋸切縫試驗段頂板應力傳遞被人為切斷，導致鏈臂鋸切縫試驗段煤柱圍巖應力增幅普遍小于無切頂操作試驗段，說明鏈臂鋸切頂卸壓的卸壓效果良好。

3)工作面回采后，頂板結構發生變化，由于鏈臂鋸切割造縫成縫率較高，煤柱側頂板提供給采空區頂板支承力較小。