切頂留巷技術在深部中厚煤層中的應用

張宏升

（西山煤電集團有限責任公司官地礦，山西 太原 030053）

我國煤炭資源的開采主要為長壁開采，利用護巷煤柱來提升巷道的穩定性，但由于煤炭資源儲量日益減少，我國需要采用一種全新的無煤柱開采技術來減小煤炭資源的損耗，因此沿空留巷技術對提升煤炭資源的開采率具有重要意義。但傳統的沿空留巷技術存在許多弊端，由于沿空留巷技術無法改變巷道的應力分布，當采動較為劇烈時極易造成留巷的失敗，沿空留巷利用充填體對巷道覆巖進行支護，此時巷道的支護難度較大，極易造成充填體的應力集中，此外充填體的造價較高，使得沿空留巷成本增加，所以對沿空留巷技術進行研究是十分重要的，此前眾多學者對此進行過一定的研究[1]。本文西山煤電集團有限責任公司官地礦（全文簡稱官地礦）13601工作面為研究對象，對中厚煤層切頂成巷技術進行研究，為中厚煤層無煤柱開采提供一定的參考，為提升礦山經濟做出一定的貢獻。

1 礦井概況

官地礦位于位于西山煤田東南部，距離太原市中心17.5 km，井田面積104.5 km2，礦井年核定生產能力為390萬t，主要開采8號煤層，采用平峒—斜井聯合開拓方式。礦井絕對瓦斯涌出量1.30 m3/min，相對瓦斯涌出量0.8 m3/min。2號、8號煤層均具有爆炸危險性，屬Ⅱ類自燃煤層；礦井正常涌水量為10 m3/h，最大涌水量為20 m3/h；水文地質類型為中等。

2 切頂卸壓護巷原理

切頂成巷技術是指在相鄰工作面間不設立護巷煤柱，而是通過隨采隨留的方式進行護巷，留設的巷道用于下個工作面的回采。同時在回采頂板進行沿走向的預裂爆破，將巷道頂板與采空區頂板間的應力傳遞切斷，保證巷道的應力環境。切頂成巷原理圖如1所示。

圖1 切頂成巷原理圖

切頂成巷的關鍵理論為切頂短壁梁理論，在工作面進行回采過程中利用恒阻錨索對巷道頂板進行支護，同時沿著回采側的頂板進行沿走向的爆破預裂，使得直接頂形成爆破裂隙面，有效切斷應力的傳遞，從而降低回采巷道的應力環境。當回采進行過程中預裂頂板及時發生垮落，垮落的矸石及時對采空區進行填充，為了保證填充的質量，需要對垮落的矸石進行控制，從而成功留巷。

中厚煤層的切頂卸壓包括四個階段：第一階段在超前30 m的范圍內出現頂板的初始運動，受到超前應力的影響頂板出現一定下沉；第二階段在超前60 m的范圍內頂板發生劇烈的運動，此時采空區的矸石進行垮落充填，巷道基本頂巖梁斷裂；第三階段在滯后工作面約60～160 m的位置，頂板發生緩慢運動，覆巖和基本頂發生一定沉降，矸石壓實；第四階段為滯后160 m以上，此時頂板基本穩定，不發生變形。

中厚煤層在切頂的初期由于頂板的劇烈運動，采空未得到充分的充填，采空區對覆巖的支撐力仍然較小，所以為了降低巷道圍巖的穩定性，必須對頂板進行臨時支護。在中厚煤層開采時，由于采動應力較大，使用單體液壓支柱進行支護時不能滿足巷道控頂的要求，所以選用液壓支架進行臨時支護，個別地段可以適應一梁兩柱的支護方式進行補強[3]。

為了對巷道回采后頂板巖層的運移情況進行研究，本文利用數值模擬軟件對基本頂及上覆巖層切縫位置、煤柱側及工作面的中部分別布置3個監測點，分別監測其圍巖的運動情況，巷道垂直位移曲線如圖2所示。

圖2 監測點位移曲線

從圖2-1基本頂監測點位移曲線可以看出，切縫位置、煤柱側及工作面中部巖石的下沉曲線大致呈現出兩段跳躍的增長，分別再是時間270~330 min及880~950 min。曲線的增長趨勢為指數增長，第一個時間段內巖層的下降呈現緩慢上升的趨勢，此階段開采擾動對巖石的影響較小，當時間段進入第二階段時，此階段內下降曲線隨時間的增長快速增加，工作面受到的開采擾動使得該層位巖石出現明顯的下降趨勢。觀察覆巖監測點的位移曲線可以看出，此時覆巖的下沉曲線呈現出S型分布，此階段巖石的下降趨勢呈現三個階段，分別為第一階段巖層穩定，無明顯下降；第二階段巖層開始小幅度下降，巖石穩定性降低，巖層出現明顯的運動；第三階段巖石運動顯著，此階段內巖石緩慢下降，曲線呈現緩慢上升[4]。

3 監測分析

為了對中厚煤層切頂成巷效果進行研究，對切頂成巷礦壓顯現情況進行監測，通過現場監測確定合適的支護參數。主要對巷道的頂板離層情況及和支護錨索的應力進行研究，如圖3為三個區段內頂板的下沉監測曲線。

圖3 三個區段內頂板的下沉監測曲線

從圖3可以看出，當在上軟下硬型頂板區段時，頂板的下沉量隨著滯后工作面距離的增大呈現先增大后平穩的趨勢，在滯后工作面110 m以內時，此時的頂板下沉量快速增大，在滯后工作面距離110 m以后，頂板的下沉量趨于穩定，此時巷道的頂板下沉量最大值為250 mm。當在破碎復合型頂板區段時，頂板的下沉量隨著滯后工作面距離的增大同樣呈現先增大后平穩的趨勢，在滯后工作面160 m以內時，此時的頂板下沉量快速增大，在滯后工作面距離160 m以后，頂板的下沉量趨于穩定，此時巷道的頂板下沉量最大值為276 mm。當在完整復合型頂板區段時，頂板的下沉量隨著滯后工作面距離的增大呈現先增大后平穩的趨勢，在滯后工作面80 m以內時，此時的頂板下沉量快速增大，在滯后工作面距離80 m以后，頂板的下沉量趨于穩定，此時巷道的頂板下沉量最大值為176 mm。可以看出破碎復合頂板下沉量最大值大于上軟下硬巖層頂板，完整復合型頂板的下沉量最小[5]。恒阻錨索受力曲線如圖4所示。

圖4 恒阻錨索受力曲線

從圖4可以看出，在超前工作面33 m的位置恒阻錨索開始受力，隨著距離工作面距離的減小，恒阻錨索受力快速增大，增大至325 kN。在滯后工作面253 m時恒阻錨索受力出現一定的波動，基本頂發生周期性斷裂，斷裂后受力呈現下降，當滯后工作面1 603 m后，頂板達到穩定，此時的恒阻錨索受力逐步趨于穩定，恒阻錨索抗沖能力較強，較好的保證工作面穩定。

4 結論

1）對中厚煤層切頂成巷的原理進行一定的分析，給出了中厚煤層的切頂卸壓過程中頂板運動的四個階段。在上軟下硬型頂板區段、破碎復合型頂板區段、完整復合型頂板區段時，頂板的下沉量隨著滯后工作面距離的增大呈現先增大后平穩的趨勢，且破碎復合頂板下沉量最大值大于上軟下硬巖層頂板，完整復合型頂板的下沉量最小。

2）通過恒阻錨索受力進行分析發現，恒阻錨索抗沖能力較強，能夠有效的吸收一部分沖擊能量，較好的保證工作面穩定。