切頂卸壓技術在窄煤柱沿空掘巷中的應用

閆小濱

（山西潞安環保能源開發股份有限公司漳村煤礦，山西 長治 046000）

為緩解礦井接續緊張局面，提高煤炭資源回收率，煤礦沿空掘巷和沿空留巷技術應用越來越廣泛。在施工過程中，兩種施工方式下巷道均會受到頂板懸臂梁應力作用影響。為保證施工安全，需提前采取一定措施加強頂板支護和控制。漳村煤礦根據井下工作面地質條件及實際開采情況，對巷道沿空掘進施工方式進行了合理優化設計，通過在現場應用實踐，取得了良好效果。

1 工程概況

漳村煤礦主采3#煤層，煤層厚度4.6～7.6 m，平均厚度5.4 m。3103 工作面位于該礦井東翼采區，工作面東為井田邊界保護煤柱，西鄰采區軌道、膠帶、回風上山保護煤柱，南為3105 備用工作面（未開采），北臨3101 工作面采空區，如圖1。3103工作面設計走向長820 m，傾斜寬180 m，采用綜采一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理采空區頂板，工作面煤層結構較簡單。煤層頂底板巖性見表1。

表1 3103 工作面煤層頂底板巖性

圖1 3103 工作面布置圖

2 巷道施工方案技術思路

沿空巷道兩種施工方式中，受懸臂梁作用影響較大的是沿空留巷。在沿空留巷過程中，往往會發生巷道變形嚴重、采空區內漏風、有害氣體聚集等問題，需要采取強化支護等綜合措施，造成巷道后期維護量增大、維護成本增高。沿空掘巷方式是沿著采空區側留設一定寬度的煤柱進行巷道掘進施工，當留設煤柱寬度較大時，在巷道掘進過程中可避開懸臂梁結構形成的高應力區域，也可在采空區側形成有效密閉，減少采空區漏風和采空區內有毒有害氣體溢出，但將會造成煤炭資源大量浪費；當留設窄煤柱時，掘進巷道一直處于長懸臂梁結構形成的高應力影響區域范圍內，導致巷道頂板圍巖應力大，造成巷道變形速度快且變形量大。由于懸臂梁結構從發生回轉破壞變形到恢復到原始應力狀態通常需要6 個月以上，時間較長，對礦井采掘接替造成影響。為實現礦井高產高效開采，亟需研究解決采用留設窄煤柱巷道進行沿空掘進施工時出現的懸臂梁結構問題。

依據切頂短臂梁結構理論，開展切頂卸壓窄煤柱沿空掘進施工技術研究。結合礦井地質條件及實際開采情況，提出預裂爆破切頂卸壓窄煤柱沿空掘巷技術方案。在巷道掘進施工過程中，在鄰近采空區側的巷道頂板施工預裂鉆孔對頂板進行爆破預裂，將采空區側頂板懸臂梁結構切斷，使其頂板及時垮落，減小煤柱承載的頂板應力，從而有效降低沿空掘巷巷道施工及維護難度。

3 切頂卸壓沿空掘巷技術原理及技術方案

3.1 技術原理

切頂卸壓技術是基于工作面采空區頂板破斷垮落變化規律分析，通過在巷道內靠近采空區側超前施工預裂爆破鉆孔對頂板進行預裂爆破，破壞采空區頂板長懸臂梁結構，使長懸臂梁轉變成短懸臂梁，降低或消除長懸臂梁對掘進巷道的影響作用，達到切頂卸壓的效果[1-5]。因頂板巖層抗壓能力較強，但抗拉能力較弱，通過在巷道頂板上選取合適位置設計預裂切縫線，沿切縫線布置施工預裂鉆孔，鉆孔終孔位置設計布置在基本頂巖層中，采用雙向聚能管進行預裂爆破，使頂板巖層沿著設定的方向產生拉應力，形成預裂面，將頂板圍巖應力提前進行釋放，將采空區側頂板懸臂梁結構在煤柱上形成的圍巖應力切斷，對頂板圍巖應力進行卸壓，減小煤柱受力強度，有效改善巷道圍巖狀況，減小了巷道支護和后期維護難度。技術原理如圖2。

圖2 切頂卸壓技術原理

3.2 切頂卸壓沿空掘巷技術方案

漳村煤礦在以往巷道沿空掘進過程中一般都采用留設30 m 寬煤柱進行掘進施工，從而導致煤炭資源被大量浪費。結合巷道地質條件和實際開采情況，根據理論計算結果，在3101 工作面進風巷采用預裂爆破切頂卸壓技術切斷頂板，在3103 工作面回風巷沿空掘進期間留設6 m 寬窄煤柱，在其掘進施工過程中在巷道內采用恒阻錨索補強支護，提高巷道支護強度，確保巷道支護安全。

3.2.1 工作面預裂爆破技術參數確定

（1）切縫深度設計

基本頂作為傳遞工作面煤層頂板壓力的巖梁，在工作面煤柱支撐作用下形成頂板懸臂梁結構，因此是切頂卸壓選擇的主要目標層位[6]。為最大限度縮短巷道懸臂梁結構的長度，減小煤柱承壓載荷，預裂爆破切縫應靠近煤柱側設計布置。為使切縫后頂板順利垮落，提高切頂卸壓效果，本次設計切縫采用的是豎直切縫。切縫深度（H縫）可用公式（1）進行計算：

式中：H煤為工作面平均開采高度，取5.4 m；ΔH1為工作面頂板下沉量，mm；ΔH2為工作面底板底鼓量，mm；K為巖石碎脹系數，一般為1.3～1.5。

根據礦井實際地質條件及開采情況，本文巖石碎脹系數取1.5，同時在不考慮工作面巷道頂底板下沉和底鼓變形的情況下，按照公式（1）計算得出，H縫=10.8 m，本文設計時取11 m。

（2）爆破孔間距設計

爆破孔間距（a）可按照公式（2）進行計算：

式中：f為巖石普氏硬度系數，取8；r0為爆破鉆孔半徑，取0.025 m；K為巖石斷裂韌度，取12。

將上述參數代入到公式（2）計算可得，a=600 mm，即爆破鉆孔間距設計為600 mm。

（3）爆破孔裝藥量

設計采用特制雙向聚能管，該聚能管長1.5 m，內徑36.5 mm，外徑42 mm，炸藥選用三級煤礦許用乳化炸藥，單卷炸藥直徑為28 mm，長度為200 mm，每個爆破鉆孔裝填18 卷炸藥，采用炮泥進行封孔，單孔封孔長度不低于2.5 m。

3.2.2 巷道錨索支護設計

3103 工作面回風巷沿空掘進期間，頂板設計采用Φ21.8 mm×8000 mm 恒阻錨索進行支護，錨索采用3-2-3 方式進行布置，間距為1.2 m 和1.7 m，排距為2 m，恒阻器規格為Φ79 mm×500 mm。

巷道兩幫設計布置2 排錨索，錨索間距為1.3 m，排距為2.4 m，其中上排錨索設計采用規格為Φ17.8 mm×6000 mm 普通錨索，距頂0.7 m，仰角30°；下排錨索設計采用規格為Φ17.8 mm×4000 mm 普通錨索，錨索距巷道頂板2 m，與巷幫呈90°夾角。巷道錨索支護布置示意圖如圖3。

圖3 巷道恒阻錨索支護示意圖（mm）

4 應用效果

（1）采用十字布點法在3103 工作面回風巷設置3 個觀測點，觀測點間距50 m，在每個觀測點安裝一個WBY-10 頂板離層儀對頂板離層進行監測。通過觀察記錄分析可知，巷道頂板離層儀淺基點變化量低于20 mm，深部基點基本未發生變化。采用錨索測力計對巷道頂部和幫部錨索進行拉拔力測試發現，頂部錨索阻力未產生變化，幫部錨索增阻9 kg。

（2）通過對巷道頂底板位移量和兩幫移近量變化情況進行觀測，巷道頂底板位移量為120 mm，兩幫移近量為210 mm。

（3）通過與原留設30 m 寬煤柱沿空掘巷情況對比分析，采用切頂卸壓窄煤柱沿空掘巷技術配合恒阻錨索補強支護技術后，煤柱寬度減少了24 m，多采出煤炭14.88 萬t，同時減少了后期巷道維護人員和材料投入，經濟效益總體增加約1.2 億元，經濟效益顯著。

5 結語

漳村煤礦在3101 工作面進風巷應用預裂爆破切頂卸壓技術和在3103 工作面采用窄煤柱沿空掘巷配合恒阻錨索補強支護技術，縮短了采空區懸臂梁長度，減小了煤柱承載的頂板壓力。根據現場觀測數據表明，應用該技術后，沿空掘進的巷道圍巖變形量較小，均在可控范圍內，減少了后期巷道維修人員投入和材料投入，取得了良好的安全效益和經濟效益，為類似條件工作面沿空掘巷提供了技術參考。