店坪煤礦切頂卸壓無煤柱護巷技術應用

趙華亮

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司方山店坪煤礦，山西 方山 033100）

近年來，隨著能源需求量的增加，礦井開采強度也隨之增大。在資源量一定的情況下，只有提高回采率才可以獲得更多的煤炭資源。目前大部分礦井還是采用相鄰工作面回采巷道之間留設保安煤柱的方法，來保證下一工作面的正常開采。留設保安煤柱不僅造成煤炭資源的浪費，煤柱內部還容易造成應力集中，引發巷道大變形以及安全事故的發生[1]。何滿潮院士創新性地提出了切頂卸壓自動成巷技術，即在回采巷道內使用恒阻錨索支護，支護結束施工爆破鉆孔，進行聚能爆破，在巷道上方形成一預裂面，切斷巷道上方頂板應力傳導路徑，進一步實現自動成巷無煤柱卸壓開采[2-3]。

1 概況

山西焦煤霍州煤電集團店坪煤礦，位于山西省大武鎮，井田面積約13.5 km2。現開采9#煤層，煤層厚度2.8～3.4 m，均厚3.1 m，近水平煤層，全區穩定可采。9-100 工作面面長220 m，走向長度1 203 m；工作面開采位于+830 水平，埋深225～360 m。

為提高9#煤層采出率，擬在9-100 工作面回風巷應用切頂卸壓護巷技術。設計巷道為9-100 工作面回風巷，巷道尺寸4.8 m×3.0 m，巷道長度1 088 m。

9-100工作面頂底板巖性情況見表1。

表1 9-100 工作面煤層頂底板巖性情況

2 切頂卸壓

目前，切頂卸壓主要采用聚能爆破技術，即在巷道內向采空區側頂板中布置一系列炮眼，爆破后形成切縫面，頂板將沿該切縫面滑落形成巷幫。由于巖石具有碎脹性，若切縫面沿巷幫垂直向上，既不利于采空區頂板垮落，又會影響巷道頂板穩定性。故切頂裂縫的方向與垂直頂板方向應存在一定角度，稱為切頂角度[4]。而切縫面的高度和角度正是切頂卸壓護巷技術中的關鍵參數，選取合理的切頂高度和切縫角度，不僅可以及時垮落采空區頂板，令破碎巖石充滿采空區，還能支撐頂板覆巖，減少采空區懸露面積，減弱礦山壓力的顯現；而且由于采空區與留巷上方間的頂板被切斷，同時導致頂板之間的應力傳遞路徑也被切斷，從而降低了巷道的圍巖應力，最終達到卸壓目的。

2.1 切頂高度

切頂高度，指通過聚能爆破技術，切割采空側巷道頂板，所生成切縫的深度，也就是切縫最深處與留巷頂板間的距離。合理的切頂高度，讓垮落下的矸石對上覆回轉變形的鉸接巖塊起到良好的支撐作用，為所留巷道提供低應力環境。

直接頂初次跨落后，垮落的破碎巖層無序排列，力學性質與散體類似。受巖石碎脹性的影響，破碎巖體堆積后的高度，會大于原來直接頂巖層的厚度。巖石碎脹系數，與巖石破碎后的塊體大小、排列方式有關。工作面回采后巖層垮落堆積情況見圖1。

圖1 直接頂初次垮落后采空區空間

若直接頂厚度為h，則垮落后的破碎巖塊堆積高度為Kh，堆積體與老頂之間的空隙A為：

式中：A為堆積體與老頂之間的空隙高度；h為直接頂巖層的厚度；HC為煤層開采高度；K為巖石碎脹系數。

在式（1）中，若令A=0，即冒落的破碎巖塊充滿采空區，則：

合理的切頂高度，需滿足破碎巖塊堆積壓實后，可以有效支撐上覆頂板形成的“大結構”，即垮落的巖石可以充滿采空區，所以切縫深度D 為：

式中：H1為頂板下沉量，m；H2為底板底鼓量，m；K為巖石碎脹系數，一般頂板巖體取1.3～1.5。

針對9-100 工作面，若不考慮頂板的下沉、底板的上鼓，煤層采高取3.1 m，依據頂板巖性特征，巖石碎脹系數K取1.4，按式（3）計算可得D=7.75 m，由于該切縫帶有一定角度，垂直深度為7.75 m，換算成傾斜切縫深度為8.02 m，考慮到巖層厚度的變化情況，D值取8 m。

2.2 切頂角度

切頂角度是切縫線與采空區側豎直方向的夾角，合理的切頂角度，不僅可以避免覆巖在滑落時產生較大的阻力，還能產生較好的卸壓效果。

假設頂板切縫后形成鉸接結構，其結構關系見圖2。當鉸接結構形成后，塊體B將會向下滑落，但由于受到水平擠壓力TA的作用，塊體A會對塊體B產生摩擦阻力fk，其值為：

圖2 巖塊咬合處的平衡

而塊體B在接觸面產生的下滑力fh為：

若fh≥fk，則鉸接咬合處發生滑落失穩，即：

當切縫角度θ1滿足式（4）的條件時，頂板形成的鉸接結構在切頂作用下，必然會沿著切縫面發生滑落。依據9#煤層地質條件，經過實驗，得到老頂的內摩擦角Φ為32°，經計算G2=250 kN，TA=800 kN，最終求θ1≥14.65°。

結合以往現場經驗，綜合考慮現場施工環節，選定合理的切頂角度為15°。切頂卸壓方案見圖3。

圖3 切頂卸壓方案

2.3 爆破工藝

爆破采取雙向聚能爆破技術，將爆破孔布置在采空區側巷道與頂板夾角處，炮孔孔徑48 mm，間距500 mm。在每個鉆孔中安裝4 根BTC-1500 型聚能管，聚能管外徑42 mm，內徑36.5 mm，長度1 500 mm，并將聚能管放置在鉆孔底部。使用三級礦用乳化炸藥，炸藥規格為Φ35 mm×200 mm/卷，每孔5 卷，孔口采用炮泥封孔，封孔長度2.5 m，炮孔布置方式見圖4。

圖4 炮孔布置方式

3 工程應用

3.1 施工方案

基于以上切頂及爆破參數，對9-100 工作面回風巷采空區側頂板進行爆破切縫施工。根據方案設計，施工的回風巷長度1 088 m，施工位置為超前工作面50 m范圍之內，并隨工作面的推進持續使用鉆機進行鉆孔施工，鉆孔布置在同一直線上。采用聚能拉張切縫爆破方法，爆破后及時對爆破效果進行監測、分析。

3.2 巷道觀測

為驗證護巷效果，對該工作面回采過程中實施巷道頂底板移近量監測、兩幫移近量監測。

（1）巷道頂底板移近量

使用YHU200 型頂底板移近量監測儀對9-100工作面回風巷300 m范圍內的巷道頂底板移近量進行監測，10 m安設一個測站，共安設30 個測站。監測結果見圖4。由圖可以看出工作面回風巷道頂底板移近量在100 mm左右，超前工作面距離越遠，頂底板移近量越小，當超前工作面距離大于20 m后，巷道表面位移極小，基本不受工作面回采的影響； 最大頂底板移近量出現在工作面后方140 m處，約為280 mm，處于安全范圍之內。這是因為工作面后方140 m后上覆巖層運動已經趨于穩定，巷道圍巖變形進入穩定階段，護巷效果良好。

圖5 頂底板移近量曲線

（2）巷道兩幫移近量

同樣在工作面回風巷300 m范圍內對巷道兩幫移近量進行監測，10 m安設一個測站，共安設30 個測站。監測結果見圖6。在回采工作面后方30 m范圍內，圍巖變形最為劇烈，靠近工作面附近兩幫移近量均達60 mm，但由于該范圍內進行了加強支護，故巷道斷面收縮較小，滿足安全生產的需要；工作面后方30～140 m范圍內，巷道圍巖變形趨于穩定，主要是經歷了前期的巷道圍巖強變形階段后，積聚于巖石中的能量已經逐漸釋放。工作面前方20 m后，兩幫移近量很小，不受回采影響。

圖6 兩幫移近量曲線

4 效果分析

1）監測結果表明，巷道頂底板最大變形約280 mm，兩幫最大移近量約300 mm； 滯后工作面140 m左右，頂板和兩幫變形不再變化；留巷穩定，可以滿足下一工作面正常回采?，F場試驗驗證了所留回風巷的可靠性，圍巖變形可控，護巷效果良好。

2）9-100工作面回風巷應用切頂卸壓無煤柱護巷開采技術后，能回收約0.026 Mt煤炭資源，獲得1 040 萬元效益的同時，依2019年煤巷掘進成本8 500 元/m計算, 也可節約924.8 萬元掘進成本，經濟效益十分可觀。

5 結語

1）以店坪煤礦9-100 工作面開采為工程實例，通過理論計算確定切頂高度8 m，切頂角度為偏向采空區側15°，并在該工作面回風巷進行了現場試驗。

2）通過對回風巷頂底板移近量和兩幫移近量實測，巷道頂底板最大變形量約280 mm，頂底板壓縮率約為9%，兩幫的最大移近量約為300 mm，兩幫壓縮率約為6%，均在安全范圍之內。實踐表明，切頂卸壓技術關鍵參數選取科學、合理，留巷穩定可靠。

3）該工作面采用切頂卸壓無煤柱護巷技術后，能多回收約2.6 萬t煤炭資源，獲得1 040 萬元效益的同時，可節約924.8 萬元巷道掘進成本，效益可觀。

4）對沿空留巷技術進行了有益探索，也可為類似礦井提供經驗借鑒。