新義煤礦切頂留巷技術應用研究

劉會強，杜留群

(義煤集團 新義礦業有限公司，河南 新安 471800)

煤炭資源開采至今，我國大部分煤礦企業都存在資源緊張的問題，特別是在采煤工藝較為落后的礦井，采用留設區段煤柱采煤工藝的工作面對緊張的煤炭資源帶來了進一步浪費，且隨著開采深度的日益增加，留設區段煤柱的工作面將面臨應力集中的影響，從而導致巷道圍巖破碎變形、礦壓增大，甚至出現瓦斯突出事故，對礦井安全高效生產造成威脅。為了解決上述問題，沿空留巷技術被廣泛應用于各個礦井[1-5]。沿空留巷技術是將采空區巷道進行支護保留，將保留巷道用于臨近工作面的開采，這樣不僅可以節省巷道掘進的生產成本和時間成本，緩解礦井的接替壓力，還能避免留設大量煤柱造成煤炭資源的浪費。

沿空留巷技術的核心是“拉得住、切得開、下得來、護得牢”，基于該技術核心理念，2009年何滿潮院士提出了切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(以下簡稱切頂留巷開采技術)，這項技術是以“切頂短臂梁”為理論基礎，原理是沿留設巷道對采空區側頂板進行預爆破制造出裂縫，使采空區基本頂垮落與留巷基本頂分開，并且垮落的采空區基本頂能夠形成巷幫，改善了留巷圍巖的應力環境，使用該技術不僅成巷速度快、施工工藝簡單，還能夠極大地節省工程量和施工成本，應用前景廣闊[6-10]。

基于國內外大量煤礦工作者及研究者的理論研究和實踐經驗，新義煤礦在11090綜采面應用了切頂留巷開采技術，以解決生產接替緊張的問題。

1 工程概況

1.1 工作面概況

11090綜采工作面位于新義礦東翼11采區，北部為新義礦業井田邊界保護煤柱，南部為東翼回風大巷保護煤柱，西部為11080工作面(未回采)，東部為11100工作面(未圈定)，11090工作面傾向長

為977～1 030 m，走向長185 m，回采面積186 633 m2。工作面標高為-302.2～-222.6 m，工作面二1煤層底板標高為-306.4～-224.8 m，地面標高為+361.9～+400.6 m，煤厚平均4.7 m。切頂留巷起始位置選在11090膠帶巷700 m處。工作面平面布置如圖1所示。工作面直接頂巖性為砂質泥巖，厚1.8 m；基本頂巖性為中粒砂巖，厚12.6 m；直接底巖性粉砂巖，厚0.8 m；基本底巖性為硅質泥巖，厚2.8 m。頂底板巖石物理力學性質試結果見表1。

圖1 工作面平面布置Fig.1 Floor plan of working face

表1 頂底板巖石物理力學性質試驗Tab.1 Roof and rock mechanics parameters

1.2 巷道原支護方式

該巷道為沿頂掘進，矩形斷面，寬4.9 m、高3.2 m，斷面15.7 m2，采用“錨網索+鋼筋梯”聯合支護，頂板錨桿規格為φ20 mm×2 500 mm，間排距為800 mm×1 000 mm，錨索規格φ17.8 mm×6 000 mm、間排距為1 600 mm×2 000 mm，幫部錨桿規格φ20 mm×2 500 mm，間排距為800 mm×1 000 mm；鋼筋梯采用φ14 mm圓鋼加工、排距1 000 mm。11090膠帶巷2018年施工結束至今，巷道支護狀況良好，頂板未出現明顯下沉，兩幫未出現明顯位移，目前巷寬4.6 m，巷高3 m，符合切頂留巷條件。原巷道支護斷面如圖2所示。

2 切頂留巷技術原理及工藝流程

2.1 切頂留巷技術原理

圖2 原巷道支護斷面Fig.2 Original supporting form of roadway

切頂留巷開采技術以“切頂短壁梁”為理論基礎，通過恒阻大變形錨索強化支護留巷頂板，然后對預留巷道沿采空區頂板進行預爆破，制造出裂縫，將留巷基本頂與采空區基本頂“切開”，造成采空區與留巷上覆巖層間出現斷裂結構面，將采空區上覆巖層的應力傳播路徑切斷，從而改變留巷頂板的受力狀態。采空區基本頂上覆巖層應力集中，順裂縫自然垮落形成巷幫，實現無煤柱自動成巷[11-12]。

根據工程進度可將工作面劃分成超前切頂區、滯后臨時支護區以及成巷穩定區3個區域。留巷的技術核心是“拉得住、切得開、下得來、護得牢”。

(1)超前切頂區。位于超前支護區之前，該區域內巷道尚未受到超前支承壓力的影響，在巷道支護的作用下圍巖基本處于穩定狀態。在超前切頂區內，主要進行頂板補強支護和超前預裂切縫，增加采空區側頂板自由面，確保在高支護阻力下實現巷道“緩變性”破壞，工作面回采后，采空區頂板受自重和礦壓作用，沿切縫面自動垮落成巷。

(2)滯后臨時支護區。位于成巷穩定區之前、端頭支護區之后，該區域內留巷頂板動壓顯現劇烈易引起頂板下沉，為避免垮落頂板落入巷道，可采取擋矸措施，同時配合一定的臨時支護保護留巷受動壓影響出現嚴重變形，最終實現沿空留巷。

(3)成巷穩定區。位于滯后臨時支護區之后，隨著工作面繼續推進，當留巷距離工作面較遠時，留巷受工作面周期來壓影響較小，此時采空區頂板上覆巖層應力反應已基本穩定，回撤滯后臨時區液壓抬棚和單體柱抬棚，完成沿空留巷。

圖3 沿空留巷分區示意Fig.3 Schematic diagram of zoning of reserved lanes along the goaf

2.2 切頂留巷工藝流程

切頂留巷自11090膠帶巷700 m處開始，工藝以“補、切、護”為主[13-14]：巷道超前區補強加固→超前預裂切縫(切頂眼打設→預裂爆破切頂)→工作面端頭控制→滯后臨時支護區支護(非煤墻側幫部補強加固、采空區側擋矸防護)→沿空留巷支護與端頭支護聯合布置→完成沿空留巷。

2.3 切頂留巷技術關鍵

切頂留巷技術的關鍵是如何在留巷過程中控制頂板變形，可利用直徑較大的錨索進行多輪次打設，強化留巷頂板的穩定性。同時為了保證采空區頂板能夠順利地按照設計高度垮落成巷幫，利用雙向聚能管進行預爆破切縫。在采空區頂板垮落后，在切縫側采用擋矸及臨時支護的方式阻止垮落矸石流入巷道，避免后期產生大量的清矸任務[13-14]。

2.3.1 頂幫錨索支護技術

為了避免預留巷道受切頂及周期來壓的影響出現巷道大量變形，在開始切頂之前，使用大直徑錨索進行超前補強支護。頂板錨索由原來的每排3根加密至5根、間排距由原來的1.6 m×2 m縮小至0.8 m×1 m，其中沿空側錨索距巷幫500 mm，頂板錨索采用φ18.9 mm×7 500 mm、φ18.9 mm×10 000 mm兩種規格；同時在實體煤幫每排增加2根錨索、間排距1.4 m×0.8 m，錨索規格φ18.9 mm×4 300 mm；預緊力不小于200 kN。預留巷道強化支護斷面如圖4所示。

圖4 預留巷道強化支護斷面示意Fig.4 Reinforcement supporting drawing of goaf entry retaining roof

2.3.2 雙向聚能預爆破切頂技術

雙向聚能預爆破切頂是切頂留巷技術的關鍵基礎，由于巖體耐壓易拉的結構特性，可使用雙向聚能管進行預爆破切頂，通過設定，爆破后在相反方向形成聚能流，對爆破處產生拉伸應力，使頂板能夠按照設計高度和方向形成預裂縫。工作面在形成采空區前，切斷與留設巷道頂板之間的應力傳遞路徑，采空區形成后基本頂沿預裂縫按照設計高度垮落，形成留設巷道巷幫，實現快速成巷。雙向聚能預爆破原理如圖5所示。

2.3.3 擋矸及支護技術

采空區頂板在垮落時容易流入預留巷道內，同時為了避免留巷在切頂期間受動壓影響出現變形嚴重影響使用的情況，根據現場實際情況，采用了工字鋼+菱形鋼筋網+擋矸布+U型卡纜+U型可伸縮擋矸柱+背木的擋矸及支護形式，其中工字鋼布置

圖5 雙向聚能預爆破原理Fig.5 Bidirectional shaped blasting schematic

間距為500 mm。擋矸及及支護方式如圖6所示。

圖6 擋矸及及支護方式示意Fig.6 Protection drawing of goaf side retaining gangue

(1)工作面端頭控制。為保護頂板支護錨索不被破壞，將端頭1號排頭架向工作面切眼內挪移，工作面1號排頭架與頂板最邊緣一排錨桿向外間距不大于0.2 m。為防止采空區頂板矸石垮落、竄入巷道，增加安裝擋矸柱時施工安全系數，在1號、2號排頭架安裝自主加工臨時防護裝置控制頂板。

(2)采空區擋矸防護。擋矸支護緊貼支架后方施工，滯后支架不超過0.5 m。留巷效果主要取決于擋矸防護措施是否有效，為保證擋矸防護效果，在相鄰2根擋矸柱之間增加連板進行連鎖，擋矸柱與頂板之間采用廢舊錨桿進行固定，增加擋矸柱的穩定性。

(3)加強支護區支護。架后0～200 m留巷段動壓影響范圍需進行加強支護，采空區側距幫1 m打設1排液壓抬棚，實體煤側距幫1 m打設1排“單體柱+Π型鋼梁”抬棚，初撐力不低于24 MPa。

(4)成巷穩定區支護。架后200 m之后區域的頂板活動基本趨于穩定，通過礦壓觀測數據，依次減少抬棚數量，確保沿空留巷在下一個工作面開采前的穩定。

3 切頂留巷關鍵參數設計

結合地質資料和鉆探、窺視成像情況，前期確定切頂深孔深度15 m(切入基本頂)，切縫線與鉛垂線夾角10°、距采空區側煤壁平均0.1 m(中線偏右2.2 m)，鉆孔直徑45 mm，間距0.8 m。隨著留巷進度的增加，又改變為切頂深孔15 m深，間距0.6 m，切頂淺孔6 m深，切縫線與鉛垂線夾角10°、距采空區側煤壁平均0.1 m(中線偏右2.2 m)，鉆孔直徑45 mm，間距0.6 m，切頂深孔和淺孔交替布置。沿空留巷切頂位置示意如圖7所示。

圖7 沿空留巷切頂位置示意Fig.7 Position of leaving the road along the goaf and cutting the roof

同時為驗證切頂爆破參數，設計初期對沿空留巷設置3個試驗區，其中：①試驗1區長度70 m，切頂眼間距0.8 m，孔深15 m，裝藥15節(3 kg)；②試驗2區長度30 m，切頂眼間距0.4 m，孔深分別15、6 m，深孔裝藥18節(3.6 kg)、淺孔不裝藥；③試驗3區長度30 m，切頂眼間距0.3 m，孔深分別為15、6 m，深孔裝藥18節(3.6 kg)、淺孔裝藥8節(1.6 kg)。試驗3區切頂爆破裝藥結構如圖8所示。

圖8 試驗3區切頂爆破裝藥結構示意Fig.8 Diagram of roof cutting blasting charge structure in experimental area 3

為驗證爆破效果，在預爆破完成后采用防爆鉆孔窺視儀觀察孔內爆破效果，切頂預爆破效果對比如圖9所示。通過圖9可知：①試驗1區，當切頂深孔間距0.8 m，采用裝藥結構為5+5+5時，爆破孔內壁裂縫細小無連續性，預裂率約為30%，并且在爆破孔底部沒有出現裂縫。②試驗2區，增加施工切頂淺孔，深孔和淺孔交替施工，間距0.4 m。為此加大炸藥量，切頂深孔調整裝藥結構為7+6+5，切頂淺孔不裝藥。此次爆破孔內裂縫數量明顯增多，預裂率約為70%，但在距孔口3 m范圍內，裂縫依然存在大量不連續的情況。③試驗3區，經過再次調整，縮短切頂深孔淺孔的間距，由原來的0.4 m改為0.3 m，切頂深孔和淺孔交替。切頂深孔裝藥結構仍為7+6+5，切頂淺孔裝藥結構為4+2+2。爆破后孔內裂縫連續且對稱，有很好的貫通效果，預裂率達到了90%，達到預期效果。

圖9 切頂預爆破前后效果Fig.9 Renderings before and after roof cut hole blasting

根據切頂卸壓自動成巷工程經驗，確定15 m切頂眼內裝藥段長度8.6 m，每孔炸藥18節，自上而下每部分藥卷數量為7節、6節、5節；6m孔裝藥長度3.8 m，每孔炸藥8節，自上而下每部分藥卷數量為4節、2節、2節，每部分2發雷管共6個，采用PVC半管裝藥，封孔長度5 m，一次起爆眼數8～16個深孔，8～16個淺孔，超前工作面不少于90 m。

4 應用效果

4.1 頂板變形量監測

通過設置礦壓觀測站，通過“頂板壓力監測、頂板離層觀測、巷道表面位移觀測”等綜合手段，分析應力變化和穩定規律，并驗證留巷效果。

(1)頂板壓力分析。根據初步結果，采空區后方應力在距下端頭支架尾梁20～30 m開始升高，峰值在30～75 m，應力下降區域約在距下端頭支架尾梁75～90 m，應力穩定區域則在90 m以后。

(2)頂板離層分析。留巷段進入30 m后，頂板出現離層，80 m后離層量達到峰值，深基點(深7 m)最大離層量85 mm，淺基點(深3.5 m)最大離層量10 mm。

(3)巷道位移分析。通過十字位移觀測法分析，留巷段進入70 m后，頂底板收縮量達50～80 mm，留巷進入70～130 m，收縮量達260～320 mm；留巷進入130～180 m，收縮量達300～400 mm；留巷進入180 m后，位移量基本趨于穩定，在此期間頂底板下沉量呈現切縫側比煤壁側下沉嚴重。

通過連續觀察，支架載荷和頂底板移近量如圖10所示，頂板離層和圍巖變化均在可控范圍之內。

圖10 支架載荷和頂底板移近量Fig.10 Support load and roof and floor subsidence

4.2 現場留巷效果

11090工作面現場采用切頂留巷技術成功留巷700 m，目前留巷段巷寬4.5 m、巷高2.6 m，巷道未出現明顯變形，取得了預期效果。現場巷道成型效果如圖11所示。

圖11 巷道成型效果Fig.11 Roadway forming effect

4.3 效益分析

(1)采用切頂留巷，縮短了工作面形成時間，緩解接替緊張問題，礦井實現“一井一面一煤巷”的生產布局。

(2)采用切頂留巷，不存在煤巷掘進實施區域防突措施問題，采空區積水可滲流到留巷內疏排，消除掘進期間突出、瓦斯超限、透水等重大風險。

(3)采用切頂留巷，工作面可少掘1條煤巷，每米巷道節約掘進成本6 200元(留巷成本為3 100元/m)，不再留設沿空掘進護巷煤柱，每米多回收原煤20 t，約8 000元。

5 結論

(1)為避免出現生產接替緊張的情況，新義礦在11090綜采面應用了切頂留巷技術，系統介紹了該技術的應用原理及技術關鍵。通過頂板預爆破，將采空區頂板和留設巷道頂板之間造出裂縫，切斷采空區頂板上覆巖層的應力活動路徑，避免留設巷道圍巖受應力影響出現大量變形，采空區頂板在來壓后按照設計高度沿裂縫垮落，形成巷幫，從而達到無煤柱快速成巷的目的。

(2)采用理論計算及現場試驗等方法，確定切頂角度為15°、切頂深度為15 m和6 m。頂板每排打5根錨索，幫部每排打2根錨索加鋼帶支護，最優裝藥結構為切頂深孔7+6+5，切頂淺孔為4+2+2、孔間距為300 mm等關鍵參數。

(3)在留設巷道穩定后，對巷道頂底板及兩幫的位移量進行監測，發現巷道兩幫最大移近量為200 mm，頂底板最大移近量為400 mm，巷道圍巖位整體較為穩定，留設巷道能夠滿足工作面回采的使用需求。

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