綜采工作面切頂卸壓自成巷技術應用探索

張衛鵬

（晉能控股煤業集團晉城煤炭事業部晉圣億欣煤業有限公司，山西 晉城 048200）

隨著礦井回采工作面生產效率的不斷提高，造成工作面正常的生產接替愈發緊張。此外，傳統長壁工作面需要留設煤柱的布置方式造成大量煤炭資源的損失與浪費［1-4］。近年來，越來越多的礦井嘗試采用110 工法，其核心為通過切頂卸壓自成巷技術保留上一工作面的一條巷道以備下一工作面使用；這樣，單個工作面僅需開掘一條巷道，這在很大程度上緩解了礦井生產接替緊張的問題，同時降低了巷道的掘進工作量，對提升煤炭回采率亦具有重要意義［5-6］。本文以億欣煤業XV2303運輸巷道為研究背景，介紹了該技術的主要原理，設計了巷道的預裂爆破切縫的主要爆破參數及巷道的支護方式，實現了工作面運輸巷道切頂卸壓自動成巷。

1 工程背景

億欣煤業XV2303 綜采工作面位于15#煤二盤區，工作面走向長1101 m，傾斜長200 m，煤層底板標高+834～+924 m，對應地表標高為+1 195～+1 270 m。15#煤層在XV2303 工作面范圍內厚度在2.6～3.4 m 范圍內，平均厚3.1 m，傾角在3°～12°范圍內，平均5°，工作面設計采高3.1 m，采用綜合機械化后退式采煤法，頂板管理為全部垮落法。工作面頂底板特征見表1。XV2303 工作面直接頂為石灰巖，單向抗壓強度及抗拉強度分別為67.8 MPa和5.1 MPa；老頂為砂質泥巖，單向抗壓強度及抗拉強度分別為80.9 MPa和3.2 MPa；直接底為炭質泥巖，單向抗壓強度及抗拉強度分別為30.0 MPa和1.6 MPa；老底為泥巖，單向抗壓強度及抗拉強度分別為22.7 MPa和0.8 MPa。XV2303 運輸巷寬5 400 mm，高2 600 mm，留巷段長865 m，留巷后將用于XV2304 工作面回風及輔助運輸。

表1 工作面頂底板情況

圖1 XV2303 工作面布置

2 基本原理

2.1 技術原理

采用定向爆破技術在巷道頂板形成預裂切縫，并通過礦山壓力切落巷道上方頂板，進而切斷部分頂板壓力的傳遞。采空區側垮落矸石可以起到支承基本頂巖塊的作用，從而控制巷道上方基本頂破斷巖塊的回轉變形，維持破斷巖塊的穩定性，實現巷道圍巖的卸壓和自動成巷。同時，使用單體液壓支柱對保留巷道進行支護，并配合使用礦用工字鋼在巷道臨空側對垮落下來的頂板矸石進行隔擋。待到覆巖運動穩定后，回撤支柱并在巷幫噴射混凝土作為鄰近工作面的回采巷道。使用該技術可以降低傳統開采方式中巷道支護困難、煤炭資源大量損失、礦井生產接替緊張等問題。

2.2 施工工序

首先，在留巷巷道打設恒阻大變形錨索以對巷道進行支護及加固。其次，工作面回采前在留巷巷道頂板施工定向爆破炮孔，并通過預裂爆破形成切縫；工作面回采后使用單體支護對巷道頂板進行支護，同時利用礦山壓力切落巷道上方基本頂巖塊以減少巷道圍巖受力。最后，對垮落不充分區域進行充填，并對巷道表面噴射混凝土，然后撤出單體液壓支柱。

3 切頂卸壓自動成巷設計

3.1 巷道加固設計

為維持巷道切頂階段和來壓期間巷道圍巖的穩定性，需要在工作面回采前在留巷段巷道頂板打設錨索以達到支護及加固巷道的目的。根據鄰近工作面施工經驗，選用直徑21.8 mm，長8 300 mm恒阻大變形錨索，恒阻器長300 mm，直徑55±4 mm，阻值40±3 t，錨索預緊力為30 t，錨索托盤尺寸為350 mm×350 mm×10 mm，錨索外露長度為250 mm，間排距為2 000 mm×3 000 mm，見圖2。

圖2 切頂卸壓自動成巷設計(單位/mm)

3.2 頂板預裂切縫設計

沿巷道鄰空側施工預裂爆破孔，切縫深度為7 500 mm；炮孔軸線與垂直方向呈25°夾角，距上幫150 mm，選用外徑44 mm、內徑39 mm、長度1 600 mm 的聚能管；選用礦用乳化炸藥，使用水炮泥封堵炮孔，炮孔間距為500 mm。裝藥時從聚能管開始進行裝藥，采用雷管起爆，并通過引線將所有聚能管依次連接直至所有炮孔均完成裝藥，并將每5～8 個炮孔編為一組進行串聯起爆。

3.3 擋矸設計

在與XV2303 工作面液壓支架距離0～30 m范圍內，在距離工作面幫側1.0 m 處布置一列DW28-280/120 型單體支柱，排距為2.0 m，在巷道中線及與巷道中線距離1.25 m 的煤柱幫側布置一列單體支柱，排距為2.0 m。工作面回采后，在距工作面支架距離大于 80 m 處撤去單體支柱，使用礦用工字鋼支護頂板，并在工字鋼上掛設直徑5 mm 高強焊接鋼筋網 （規格為40 mm×40 mm）進行擋矸。待采空區側頂板垮落穩定后，對垮落不充分處進行部分填充，并撤去單體液壓支柱，并對巷道整形、噴漿以滿足要求，留待下一工作面使用。

4 試驗工作面留巷效果

在留巷段每隔40 m 布置1 臺YHU200 型位移計對巷道頂板位移進行監測，每隔60 m 布置1臺DWG-5LBY-3 型頂板離層儀對巷道頂板離層情況進行監測，每隔40 m 布置1 臺MS-30 型錨桿/索測力計對錨索受力進行監測，并在巷道鄰空側每隔10 個支柱布置一臺KJ385-G型礦用壓力傳感器監測支柱壓力。

留巷段頂板下沉量為20～50 mm，工作面液壓支架后方30 m 范圍內單體支柱壓力平均為8 120 kN，并在與支架距離大于30 m 時開始減小，錨索阻力值在回采工作面后方200 m 以外基本穩定。采空區頂板基本沿預裂爆破形成的切頂線垮落，且垮落充填采空區程度較好。從留巷段頂板下沉量、單體支柱壓力及頂板錨索受力情況來看，留巷段巷道頂板變形處于可控范圍，巷道圍巖較為穩定，巷道整體成形較好，能夠滿足下一工作面的使用要求。

5 結語

通過使用切頂卸壓自成巷技術，XV2303 工作面完成了對留巷段巷道的保留。留巷段頂板下沉量為20～50 mm，工作面液壓支架后方30 m 范圍內單體支柱壓力平均為8 120 kN，低于額定值，并在與支架距離大于30 m 處開始減小，錨索阻力值在回采工作面后方200 m 以外基本穩定。采空區頂板垮落程度較好，基本沿切頂線位置垮落，巷道圍巖較穩定，能夠滿足下一工作面的使用要求。

結合現場實際，XV2303 工作面保留巷道865 m，減少巷道掘進量12 144 m3，節約煤炭資源約0.047 Mt，創造經濟效益約8 000 萬元。切頂卸壓自成巷技術對于增加礦井服務年限、節約開采成本具有重要意義。