回采工作面切頂卸壓無煤柱留巷技術研究

孟光華

（山西汾西正善煤業有限責任公司，山西 孝義 032300）

沿空留巷技術可以實現無煤柱開采，最大程度提高開采率，緩解采掘接替緊張局面，在突出礦井以及深部開采礦井中應用具有顯著優勢[1-3]。近些年來，切頂卸壓留巷技術憑借圍巖控制效果顯著，成巷效果好等優點，在煤礦井下應用日益廣泛[4-7]。文中以6301巷留巷為工程背景，對切頂卸壓留巷技術展開研究，以期為其他礦井留巷工作開展提供借鑒。

1 工程概況

山西某礦6301綜采工作面開采3號煤，厚度6.0 m，埋深480 m，煤層原始瓦斯含量為10.6 m3/t，屬于突出礦井，礦井采用大采高綜采工藝開采6號煤。6301綜采工作面走向長1466.9 m、傾斜長296.3 m，回采巷道布置采用“三進兩回”方式，受瓦斯治理影響，巷道掘進效率低。為了降低巷道掘進工程量并增加采面煤炭回收率，礦井提出采用切頂卸壓留巷方式保留6301巷為臨近的6303采面回采服務，留巷段長度共計600 m。

6301綜采工作面開采的3號煤層總體處于背斜構造，兩翼傾角變化范圍為0°～10°，平均5°，根據三維地震資料顯示，地質構造較簡單。煤層頂底板巖性以砂巖、泥巖為主，具體頂板巖性見圖1所示。

圖1 3號煤頂板巖層柱狀圖

2 切頂卸壓技術方案

在留巷前即采用高強恒阻錨索對頂板強化支護，超前回采工作面30 m即采用深孔松動爆破方式進行切頂，以便3號煤基本頂可沿著切頂線垮落；采面推進后，工字鋼、單體、U型鋼等對組合對頂板、巷幫圍巖進行控制。

2.1 超前支護

采用恒阻錨索對留巷巷道進行支護，根據6301綜采工作面頂板巖層巖性，布置的恒阻錨索長度為16.8 m，錨固端在頂板穩定的粉砂巖、細粒砂巖層中，該層巖層賦存穩定。具體在6301巷頂板布置兩排恒阻錨索，錨索間排距分別為1000 mm×2000 mm，其中最外側錨索與采空區幫煤壁間距500 mm，并采用W鋼帶將不同錨索連接起來，提高頂板巖層圍巖控制能力。

2.2 中深孔切頂爆破工藝

2.2.1 爆破孔開孔位置及傾角

結合6301工作面設備布置情況及履帶式專用鉆機設備等情況，確定爆破鉆孔與煤柱幫距離S=200 mm。結合6301工作面頂板基本頂厚度及專用鉆機的施工情況，確定鉆孔傾角β向工作面后方傾斜，α=0°，β=75°。為了提高卸壓效果，每兩個爆破鉆孔間增加一個空孔，增加了爆破的自由面，以提高爆破的效果。

2.2.2 切頂高度及鉆孔深度

2.2.2.1 切頂高度H0

根據3號煤層頂板巖層柱狀圖（見圖2），6301巷斷面為5.0 m×3.8 m均沿底板掘進，直接頂為3號煤頂煤、厚度h1=2.2 m，基本頂為砂巖層、厚度h2=16.24 m。切頂高度以切斷3號煤層基本頂為宜，從而使得基本頂可沿切頂線垮落，因此確定切頂高度H0=h1+h2=18.44 m。

圖2 爆破孔傾角β示意圖

2.2.2.2 鉆孔深度H

切頂卸壓時以切斷巷道頂板基本頂應力傳遞路徑為目標，具體鉆孔深度H可通過如下公式計算：

式中：H0為切頂高度，H0=18.44 m；α為爆破切頂鉆孔與豎直方向的夾角，α=0°；β為爆破切頂鉆孔與水平方向的夾角，β=75°。

經計算求得：H=18.59 m。

2.2.3 爆破孔布置參數

根據礦井井下鉆機、鉆桿、鉆頭等設備，結合工作面頂板巖性、鉆孔施工要求等，確定該爆破孔孔徑為75 mm，鉆孔間距L=2 m。具體爆破孔布置參數見表1。

表1 爆破鉆孔參數表

2.2.4 裝藥結構

松動爆破卸壓采用不耦合連續裝藥方式，為了降低引爆雷管使用量并提升松動爆破安全性，爆破孔采用雙導爆索、雙雷管方式，。具體爆破孔裝藥結構見圖3。

圖3 鉆孔裝藥結構

松動爆破選用礦用三級乳化炸藥，質量m=0.8 kg、長l=500 mm、直徑Φ=45 mm，不耦合系數K=1.67。裝藥段長度L裝=12 m，裝藥量為24卷/孔，單孔裝藥量Q=19.2 kg。封孔段長度L封=4.5 m，高水材料2.5 m、炮泥段3.0 m。

2.3 采面后方補強支護

在采面后方采用π型鋼梁、單體支柱按照一梁三柱方式構成邁步式抬棚對頂板進行支護。在靠近采空區幫采用U型鋼、單體密集布置構成擋矸支柱避免采空區內冒落矸石進入到留巷巷道內。在檔桿支柱旁布置風筒布降低留巷段漏風量。

3 留巷效果分析

在63011巷采用切頂卸壓留巷技術后，為了檢驗留巷效果，在留巷段內間隔200 m布置2個測站對巷道圍巖變形情況進行監測，測站監測結果見下頁表2所示。

表2 圍巖變形監測結果 mm

從變形監測結果得知，在監測的1個月時間內，留巷段頂底板、巷幫累積變形量值分別為47 mm、23 mm，圍巖變形量處于高阻錨索變形范圍內，變形量值較低。由此得知，在6301巷取的以切頂卸壓并結合高阻錨索、單體補強支護的留巷技術可滿足留巷段圍巖控制需要，效果顯著。

4 結論

1）將切頂爆破卸壓技術應用到大采高工作面沿空留巷中，并根據6301巷頂板巖層條件具體設計了切頂卸壓爆破孔布置參數以及裝藥結構。

2）為確保切頂卸壓安全進行，在切頂卸壓爆破孔施工前即采用高強恒阻錨索對巷道頂板補強；在切頂卸壓后采用單體結合工字鋼（π型鋼）對頂板進行支護，避免頂板出現較大下沉；在采面后方通過U型鋼、單體密集布置擋矸支柱，避免采空區內冒落矸石進入到留巷段內。

3）現場應用后，留巷段頂底板、巷幫在1個月內累計變形量分別為47 mm、23 mm，圍巖變形量較小，表明文中所提切頂卸壓留巷技術可滿足留巷需要。