切頂卸壓無煤柱自成巷關鍵技術研究及應用

范曉龍

（汾西礦業集團公司，山西 介休 032000）

1 工作面概況

曙光煤礦1226 綜采工作面位于一采區西翼，東鄰集中軌道巷，西至一采區邊界，南為尚未開采的1224 綜采工作面，北為尚未開采的1228 綜采工作面（現階段1228 工作面已基本貫通）。該綜采工作面為110 工法試驗工作面，高瓦斯礦井，絕對涌出量為14.59 m3/min，煤塵有爆炸危險性，自燃傾向性等級為Ⅱ類。所采煤層屬于二疊系下統山西組2#煤，工作面平均埋深為524 m，煤層厚度為2.6～3.6 m，平均厚度3.2 m。煤層有0.3 m 的炭質泥巖偽頂，直接頂為4.4 m 的粉砂質泥巖，基本頂為5.7 m 的細砂巖，直接底為1.2 m 的粉砂巖，基本底為3.8 m 的砂質泥巖。工作面傾向長度為176 m，走向長度1650 m，可采長度（切頂留巷）1390 m。工作面布置如圖1。

圖1 1226 工作面示意圖

2 切頂卸壓技術參數

切頂卸壓無煤柱開采關鍵技術主要包括切頂孔參數設計、恒阻錨索設計、爆破參數設計、擋矸支護設計等，具體為：恒阻錨索支護區、工作面超前支護區、端頭支護區、架后臨時支護區、成巷穩定區的支護方式，以及支護材料及相關的技術參數，切縫孔、爆破方式的技術參數，擋矸、防漏風的詳細方案及所有工序的施工工藝及設備、器具。

（1）切頂預裂爆破孔。采用雙向聚能爆破預裂技術，將特定規格的炸藥裝在兩個設定方向（平行于巷道中心）有聚能效應的聚能裝置中。根據以往切頂卸壓沿空留巷經驗，合理預裂切縫深度（H縫）設計一般大于2.6 倍采高，即H縫≥2.6H采高。工作面采高H煤為2.85 m 時，計算得預裂切縫孔深度設計為7.5 m，切縫孔距巷道回采側幫0.15 m，切縫面與鉛垂線夾角為15°。按照所繪制1226 工作面運輸巷側煤層及上覆巖層厚度圖及確定的切縫孔基準線，結合巷道頂板巖性對1226 工作面運巷進行分區設計，孔深11 m，孔徑0.05 m，孔距0.5 m，距回采幫0.15 m，與垂直方向夾角為15°。1226工作面布置圖如圖2。

圖2 1226 工作面布置圖

（2）恒阻錨索。在對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索補強加固。為使恒阻錨索在留巷的過程中發揮較好的懸吊作用，結合頂板巖層分布、巷道原有支護參數情況，恒阻錨索設計長度13.3 m、直徑21.8 mm，第一列距切縫鉆孔400 mm（距回采幫550 mm），排距1000 mm；第二列距巷道中心線200 mm（距回采幫2550 mm），排距2000 mm；頂板破碎需加強支護時，可打設第三列恒阻錨索，第三列距實體煤柱幫950 mm（距回采幫4550 mm），排距2.0 m。相鄰錨索之間采用2500 mm×4.5 mm×280 mm 型W 鋼帶連接（平行于巷道走向）。恒阻錨索布置如圖3。

圖3 恒阻錨索布置圖

（3）裝藥方式。采用3-3-2-3-2-1 裝藥方式，共14 個藥卷，每孔裝藥量共計2.8 kg，雷管6 發，聚能管6 根（6 根×1.5 m），封泥長度2 m，采用6 孔連續爆破的方式。在保證恒阻大變形錨索超前加固≥100 m 的前提下，按照工作面推進方向，對巷道頂板進行爆破預裂切縫，形成切頂卸壓預裂切縫面，一次性在整個巷道完成爆破預裂切縫工作。裝藥方式如圖4。

圖4 裝藥方式示意圖

（4）超前支護區方式（工作面前方0～50 m）。超前支護采用DW35—250/100X 單體支柱配合π型鋼梁進行支護，棚間距0.8 m，超前支護長度80 m，采用“一梁三柱”進行支護。

（5）端頭支護方式。機頭端頭采用DZ-35 型單體液壓支柱配合4.5 m 長的π 型鋼梁，按照“四對八梁”錯梁齊柱、邁步布置，轉載機與煤柱側根據現場情況采取邁步梁或帶帽點柱進行支護，點柱柱距0.8 m。在邁步梁后根據與門式支架的距離合理布置1～2 組一梁兩柱。

（6）架后臨時支護（工作面煤壁0～300 m 段）。采用DW35-250/100X 懸浮支柱配合π 型鋼梁+ U型，“一梁四柱”進行架后支護，平行于工作面順巷道往外布置，棚距為0.8 m（±0.1 m）。每架π型鋼梁分別在距π 型鋼梁兩端各0.15 m 處支設單體柱，擋矸側第二列單體柱距第一列單體柱0.75 m，第二列與第三列單體柱間距為1.95 m，第三列與第四列單體柱間距為0.95 m，所有單體柱要掛好防倒鏈且支柱直線度符合要求。物料運輸采用單軌吊運輸，擋矸側采用鋼筋網+風筒布+可伸縮U 型鋼+單體液壓支柱進行聯合擋矸支護。可伸縮U 型鋼排距500 mm。

（7）成巷區擋矸支護設計。為了防止采空區的矸石躥入及漏風，在機頭第一個支架靠巷道側采用鋼筋網、風筒布和可伸縮U 型鋼進行聯合擋矸支護。鋪設風筒（L=4 m）布上下各超出300 mm，超出部分折向工作面，風筒上部、中部搭接區域均使用聯網絲予以聯接，要求固定牢靠。鋼筋網采用尺寸規格2150 mm×1000 mm，網格100 mm×100 mm，并與頂板金屬網搭接，搭接長度不小于100 mm，聯網間距不大于100 mm，鋼筋網中部搭接800 mm。可伸縮U 型鋼采用上下兩節可縮性搭接，U 型鋼長2.5 m（可根據巷道高度適當調整），采用兩副卡蘭連接，卡蘭上下沿距U 型鋼搭接端頭各150 mm，搭接長度不小于1 m，U 型鋼棚插入底板下不得少于300 mm，插入頂板不得少于250 mm，U 型鋼支設間距0.5 m。

（8）成巷穩定區支護設計。根據礦壓觀測結果和分析報告，當頂底板移近量及頂板錨索受力趨于穩定時，可認為該區域頂板已趨于穩定，隔架撤架將臨時支護回撤，隨工作面推進將逐步全部回撤進行循環使用，并采用礦用高分子材料對留巷側進行噴漿封堵。

（9）成巷擋矸側封堵設計。待頂板垮落全部穩定后，對垮落不充分的地方進行填充，維修巷道形狀確保滿足各系統的要求，并根據瓦斯監測及通風風量監測情況，可在擋矸側噴高分子材料處理，必要時采取復噴。

3 關鍵技術環節及改進空間

（1）基礎資料方面。要求每隔30～50 m 對頂板上覆圍巖賦存情況進行探測，并繪制巖層厚度圖，為準確差異化設計切孔深度和恒阻錨索長度提供依據，并及時調整爆破參數。

（2）切縫孔參數的確定。孔深的確定主要是根據工作面的綜合柱狀圖及巖石的碎脹性進行確定，確保切頂后頂板破碎碎脹后充填滿采空區，且將關鍵層切斷，如果充填不滿或切不斷關鍵層，將再次造成頂板懸頂、垮落，帶來礦壓進一步增大。根據以往切頂卸壓沿空留巷工作面的經驗，合理預裂切縫深度（H縫）設計一般大于2.5 倍采高，切縫孔盡量靠近采空區側夾角處，且保證沿順槽走線在一條直線上，與鉛垂線夾角為15°。

（3）孔距的確定。該工藝推廣以來，孔距基本上選取500 mm，不同的工作面根據不同的頂板圍巖力學性質，可以探索孔距與其循環進度一致，如果切不通可以考慮增大孔徑、炸藥直徑達到效果。

（4）爆破參數的確定。首先要在切眼內進行試驗，對多種爆破參數的爆破效果進行驗證，對切縫孔爆破后的效果進行窺視，根據窺視切縫情況及時調整裝藥參數、結構，選取合適的參數。其次，考慮切縫孔深度達到10 m 及以上的封泥長度，要求不得小于孔深的1/3。

（5）恒阻力錨索支護區支護。可以配合注漿錨索、預注漿支護加固技術，進一步提高頂板的整體性。

（6）預裂切縫爆破效果的監測。以上技術參數要根據運輸巷頂板探測的巖性、厚度等情況，根據施工經驗以及多種裝藥方式爆破后窺視情況合理調整參數，確保形成切頂卸壓預裂切縫線，孔內有明顯的均勻貫穿裂縫，要求成縫率達到81%～90%。本次試驗的預裂切縫爆破效果如圖5。

圖5 預裂切縫爆破效果展示圖

（7）留巷內擋矸棚支護。為了保證擋矸棚的穩定，將擋矸棚的兩節U 型腿插入地板內，可以采用上、下分別焊接圓鋼插入頂、底板。擋矸棚的U型腿示意圖如圖6。

圖6 擋矸棚的U 型腿示意圖

4 結 語

曙光煤礦通過采用斷頂沿空留巷工藝，緩解了采掘銜接緊張的局面，切頂卸壓后，工作面的周期壓力和巷道內的壓力得到減小，現留巷已服務于1228 工作面回采，為曙光煤礦提供了一套安全高效的開采模式。