切頂卸壓技術在雙鴨山礦區沿空留巷中的應用

孫久政，王社新，劉丕利，殷永超

（龍煤集團雙鴨山礦業有限責任公司，黑龍江 雙鴨山 155100）

0 引 言

礦井回采巷道采用沿空留巷技術，能夠最大限度地利用煤柱資源，從而減少礦井巷道挖掘次數，有效緩解采掘接替壓力，同時降低掘進的投入比例，從而達到減人提效的目的。實踐證明，采用沿空留巷技術可帶來明顯的經濟和社會效益[1-3]。切頂卸壓沿空留巷技術更是最近一項先進的無煤柱護巷技術，其技術原理：通過對留巷巷道頂部的超前預裂，回采過程中，利用周期來壓將懸臂梁切落并實現巷旁垮落填充，從而保留并維護原回采巷道，作為下區段工作面的巷道使用[4-9]。為有序推動煤炭板塊的綠色采礦技術應用，實現煤炭板塊健康可持續的發展，雙鴨山礦業有限責任公司決定采用該項技術，以降低掘進率及生產成本，提高工效，解決采煤工作面銜接緊張局面。

1 切頂卸壓技術基礎

根據工作面回采過程中上覆巖層頂板運動規律研究結果，在預裂切頂面形成后[10]，其承載力簡化模型如圖1 所示，圖中，P（x）為巷內切頂支柱反作用力集度，q為作用于頂板上的均布載荷，Gm為由于直接頂自身重力產生的重力，LR為沿空巷道寬度，L0為老頂斷裂處深入煤幫長度，L為直接頂懸臂梁的長度，mz代表直接頂厚度，hg為采高，hc為預裂切縫高度，α為預裂切縫角度，圖中采空區上方的虛線部分為直接頂在切頂面破斷下沉觸底后的狀態。

圖1 切縫時采空區受力模型圖

2 切頂卸壓關鍵技術

切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采技術的成功實現[11]，需要借助于一些配套的關鍵技術。

2.1 頂板定向聚能預裂爆破切頂技術

在保護頂板完整性的同時，又能實現對巷道靠近采場頂板的定向預裂，是實現切頂卸壓自動成巷技術的前提。為此，首先按照設計施工鉆孔，而后將裝有礦用炸藥的導向聚能管放入炮孔中，使得爆生氣體的能量沿雙向聚能管軸向（開孔方向）釋放，實現巖石的定向張拉、斷裂，形成切頂面。切縫機理如圖2 所示。

圖2 頂板定向預裂切縫機理

2.2 恒阻錨索控制頂板技術

由于在切頂沿空留巷過程中，巷道要經過初期掘進變形、超前動壓變形、采場直接頂老頂來壓變形、采后頂板壓實矸石緩慢變形等幾個變形階段，所以，巷道形態呈現了大變形的特點[12]。恒阻預應力錨索具有抗沖擊、大變形、高恒阻的特點。因此，采用恒阻大變形錨索能夠通過自身的大變形控制圍巖因采動影響產生的變形，保證圍巖的承載能力和巷道的安全性。

2.3 礦壓實時監測技術

為及時、準確的掌握切頂卸壓自動成巷期間沿空巷道頂板離層、錨索受力、頂底板移近等情況，采用礦壓監測系統（PU 監測系統）對切頂沿空成巷的礦壓變化規律進行實時遠程監測。并通過礦壓觀測日報表、井下設備數據集中處理分析等方式及時掌握切頂沿空成巷的礦壓顯現規律和圍巖的穩定狀態，防止安全事故發生。

3 雙鴨山礦區工程案例

3.1 東保衛煤礦沿空成巷應用

3.1.1 工作面概況

東保衛煤礦36 煤層里部右二16011 工作面，煤層厚1.80～2.05m，平均煤厚1.966 6 m，傾角15°～25°，煤層結構簡單，賦存穩定，煤層埋藏深度已經達900 m，為高瓦斯礦井、沖擊地壓礦井、礦井水文地質類型為復雜型礦井。煤層無直接頂，基本頂為厚4.5m 的粗砂巖，直接底為厚0.8 m 的中砂巖。

3.1.2 沿空成巷支護參數

頂板采用3 排普通錨索和1 排恒阻大變形錨索的非對稱支護形式，對巷道結構進行了補強加固。且以適應頂板非對稱力學結構和非對稱的變形特點；第1、2 排錨索對齊設計，第2、3 排錨索位置穿插均勻支護；同時第3 排普通錨索掛設3 眼2.6 m 鋼帶，首尾眼相連，配合有大托盤和鎖具；恒阻錨索沿頂板中線布置，錨索長度為8 300 mm，恒阻值不小于35 t，錨索預緊力不少于28 t。巷道支護形式如圖3 所示。

圖3 巷道支護參數

3.1.3 沿空成巷控制效果

現場采用切頂留巷技術成功留巷460 m，留巷結束后的現場情況如圖4 所示。留巷頂板比較完整，從相鄰工作面開采所需巷道的尺寸要求及回采所配套設備的規模來看，預留巷道的斷面尺寸完全符合規定要求和通風設計。與傳統采煤方法相比，該工程節省的防沖治災費用、瓦斯治災費用、掘進施工費用、人工材料費及多回收煤量等費用共計創造經濟效益逾700 萬元。

圖4 成巷效果圖

3.2 東榮一礦沿空成巷應用

3.2.1 工作面概況

東榮一礦北二（-380）16 層右三工作面，煤層平均煤厚1.80 m，工作面平均走向長約412 m，傾向長約180 m，傾角19°，煤層結構復雜，賦存條件穩定，容易自燃，且煤塵具有爆炸性。煤層直接頂為厚4.60 m 的中砂巖，老頂為厚3.50 m 的細砂巖，直接底為厚0.9 m 的炭質頁巖。

3.2.2 沿空成巷支護參數

頂板補打2 排恒阻錨索，錨索直徑φ22 mm，長度為分別6 300、12 000 mm。其中長6 300 mm 的恒阻錨索分2 排設置，第一排距下幫1.4m，第二排距下幫2.9 m，每排恒阻錨索的間距為2.0m；且長度為12 000 mm 的恒阻錨索與下幫側恒阻錨索同排加密設置。具體布置方式如圖5 所示。

圖5 巷道支護參數

3.2.3 沿空成巷控制效果

該工作面回采423 m，經歷多次礦壓顯現之后，累計成巷388m，留巷段采空區側頂板大部分沿聚能爆破預裂縫以大塊體切落成巷，巷寬均在3.5 m，而且經現場觀測，巷幫切落矸石充滿巷幫并且在采后100 m 范圍內實現接頂，巷道逐漸趨于穩定，在成巷段頂底板收斂變形值為850 mm，錨索最大受力值為215 kN，達到預期的試驗目的。錨索測力計位移速度曲線如圖6 所示，

圖6 錨索測力計位移速度曲線圖

3.3 雙陽煤礦沿空成巷應用

3.3.1 工作面概況

雙陽煤礦位于雙鴨山市寶清縣境內，行政區隸屬雙鴨山寶山區。西五采區4 層左二工作面煤層厚1.2～1.8 m，傾角 10°～13°，為緩(傾)斜煤層，煤層結構復雜，賦存條件穩定，采用走向長壁后退式采煤方法，一次采全高，全部垮落法控制頂板。煤層直接頂為厚4.95 m 的細砂巖、粉砂巖，老頂為厚4.8 m 的灰白色長石英，直接底為厚4.4 m 的灰色粉砂巖。

3.3.2 沿空成巷支護參數

為確保留巷成功，采取頂板密集錨索補強支護形式對巷道頂板進行再維護：頂板補強錨索采用直徑φ21.8 mm，長度8 300 mm 的預應力鋼絞線，呈4排矩形布置，近上幫位置的補強錨索距上幫1.0 m，間、排距：0.8 m×0.8 m，其頂端錨固在頂板相對較堅硬的巖層中。錨索托盤采用0.3 m×0.3 m 高強度托盤，內側掛金屬網，下幫側錨索采用W 型鋼帶進行縱向連鎖。具體布置方式如圖7 所示。

圖7 巷道支護參數

3.3.3 沿空成巷控制效果

該工作面設計留巷長度480 m，留巷結束后的現場情況如圖8、圖9 所示。采空區頂板隨著煤層回采而逐步切落，機巷采空區側頂板大部分沿定向預裂切頂縫以大塊體切落成巷，巷幫斷面成型效果良好，留巷頂板完整未破壞，切落頂板以塊狀散體堆落到采空區側形成留巷的側幫，沿空留巷穩定后能滿足生產及通風要求。

圖8 矸石壓實效果圖

圖9 留巷整體效果圖

4 結 論

1）切頂卸壓無煤柱開采的原理為：通過對采場頂板實施主動切頂，并通過切落頂板本身的碎脹特性撐起采場老頂運動，減少采場頂部活動壓力對沿空巷道圍巖壓力的傳遞，實現降低沿空巷道圍巖壓力的目的，保證回采順槽的正常安全使用。

2）雙鴨山礦區的工程應用表明，采用卸壓沿空切頂成巷無煤柱開采技術后，沿空巷道變形很小。將大大豐富我國煤礦工作面礦壓控制及沿空巷道維護的理論與實踐，可為類似工作面來壓切頂控制步距及沿空巷道維護工程推廣提供有益的經驗和模式。