綜放工作面切頂卸壓沿空留巷開采技術應用

張國輝，邢 永

（陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

近年來，煤炭行業結構調整，礦井開挖越來越深，過程中留設的煤柱難以回收，造成了煤炭資源的大量浪費，且常發生應力集中現象，不利于巷道圍巖控制，也不利于開采的順利進行，而沿空留巷技術是解決上述問題的關鍵手段。常傳強等為了減少巷道的掘進量，提高煤炭開采率，在新汶礦業集團實現了1條巷道2個工作面共同使用，可對先采工作面上平巷沿空留巷巷幫進行充填，實現了后采工作面繼續應用此巷道；蔡德寶、曾朝臣在永煤集團城郊煤礦完成了復雜條件下綜采工作面長距離沿空留巷技術，城郊煤礦工作面推進困難，技術改造后采用長距離沿空留巷技術，成功甩掉了構造帶，做到了邊生產邊改造，取得了良好的經濟效益。

但是傳統的沿空留巷方式充填體極易發生應力集中，留巷支護成本提高，不符合礦山經濟效益，在此基礎上，何滿潮院士提出了切頂卸壓沿空留巷技術，并研發了恒阻大變形錨桿和定向預裂爆破技術，該技術無需預留煤柱，很好的解決了以往沿空留巷存在的應力集中問題[1]。本文以曹家灘煤礦122109工作面為工程背景，對切頂卸壓沿空留巷開采技術進行應用研究。

1 工程概況

曹家灘煤礦122109工作面是該礦首個綜采放頂煤工作面，位于12盤區2-2煤開拓大巷的西側，開采煤層2-2煤。工作面范圍：南、北側為未開采的實體煤，開切眼位于井田西部邊界，順槽開口位于12盤區大巷保護煤柱內。工作面面長260 m，推進長度約6 004 m，開采面積約1.56 km2，儲量約2431.48萬t。

工作面煤層賦存條件簡單，可采2-2煤,煤種為不粘煤，煤層厚11.55～12.03 m，平均厚11.8 m，煤層傾角0°～4°。工作面范圍內煤層底板標高為+959.81～+972 m之間，煤層埋藏深度為294.5～341 m之間，平均埋深318 m左右。為了解決該礦巷道掘進工程量大以及工作面采出率低等問題，采用沿空留巷的方法，將122109工作面運輸巷保留下來，作為下一工作面的回風巷，其平面布置見圖1。

圖1 工作面平面置示意圖

工作面外回風順槽沿2-2煤層底板掘進，留設500 mm底煤，采用矩形斷面，斷面凈寬5 500 mm，凈高4 200 mm，凈斷面積23.1 m2，錨網支護，頂部加錨索。

122109綜采放頂煤工作面巷道布置4條，即1條主運順槽、1條輔運順槽和2條回風順槽。其中主運順槽和輔運順槽平行布置于工作面一側，2條回風順槽（內回風順槽、外回風順槽）平行布置于另一側，工作面兩側外順槽將作為下一個工作面的順槽使用。

主運順槽內裝備可伸縮膠帶輸送機運輸煤炭，敷設有排水、壓風、消防灑水管路、照明、通訊及信號電纜，兼作進風和工作面人員行進的通道。

輔運順槽為工作面的進風巷，敷設有排水、消防灑水管路、壓風、注氮、通訊、照明及電纜，作為工作面材料和設備的運輸通道，同時作為工作面進風和工作面人員行進的通道。

內回風順槽為工作面的回風巷，敷設排水、壓風、消防灑水管路、通訊及信號電纜，兼作工作面人員行進的通道。

外回風順槽為工作面的回風巷，敷設排水、壓風、黃泥灌漿、消防灑水管路、通訊及信號電纜，兼作工作面人員行進的通道。

2 現場實施方案

2.1 巷道圍巖結構分析

沿空留巷技術雖然能提高煤炭回采率，減小巷道開掘量，但是采用該技術會導致巷道圍巖應力增加，從而使變形量增加，因此，保持圍巖的穩定性是沿空留巷能否成功的關鍵所在。必須對巷道的圍巖結構進行分析，巷道的圍巖穩定性取決于多種因素，需要了解煤層的頂底板巖性情況，122109綜放工作面開采煤層情況見表1。可以發現頂板巖性強度較高，夾層較少，這有利于對頂板的支護[2]。

從表1可以發現，頂板位置的基本頂和老頂多為細粒砂巖和粉砂巖，這種巖性強度較高，夾層較少，且直接頂厚度位于1.98～7.65 m，厚度較厚，基本頂厚度在1.38～10.3 m之間，頂板整體比較穩定，這有利于對頂板的支護，所以可以采用沿空留巷技術。

表1 工作面煤層賦存特性表

周期來壓是導致圍巖破壞的重要因素，由于厚層頂板難以垮落，采煤工作面周期來壓步距大，礦壓顯現劇烈。工作面初次來壓是煤層采出后，基本頂失去穩定，基本頂第一次破壞形成的壓力，周期來壓是基本頂周期性破壞形成的壓力。未進行開采活動時，巷道頂板完整，為固支梁結構，當開采活動開始后，巷道基本頂受采動應力和重力影響，彎矩變大，頂板下層，繼續開采，頂板出現斷裂，出現基本頂C，此時基本頂A和B為一個整體，還未破斷，如圖2所示。隨著開采的持續進行，采空區上部受開采影響范圍增大時，在沒有支撐的情況下，上部發生大的下沉，但煤柱測上部覆巖由于有部分支撐而下沉較小，覆巖兩邊受力不穩定而發生破斷，形成基本頂B，由于基本頂B不穩定，容易出現兩幫收縮等問題，不利于開采的正常進行，并且基本頂B的出現會導致巷道附近頂板失去穩定，巷道將出現大的破壞，嚴重情況下會導致礦井不能正常生產，因此沿空留巷能否成功的關鍵所在，在于基本頂B是否形成，以及巷道頂板是否能形成短支梁結構[3]。

圖2 頂板結構破壞圖

2.2 切頂卸壓沿空留巷技術應用

根據巷道圍巖結構分析，巖空留巷能否成功的關鍵所在，在于基本頂B能否形成，巷道頂板能否形成短支梁結構。在煤炭深度較大進行開采時，由于圍巖本身就處于高應力狀態，在加上煤炭開采時產生的采動影響，使得巷道圍巖應力比原巖應力要大許多，從而致使礦壓顯現劇烈，如何保持巷道圍巖的長期穩定，是沿空留巷需要解決的問題之一。在此基礎上，中國礦業大學（北京）何滿潮院士提出了切頂卸壓留巷技術。切頂卸壓巖空留巷技術的原理和主要技術環節為[4]：

1）綜采工作面開采前，應在靠近采場的巷道頂板上鉆爆孔，掩埋炸藥。炸藥起爆后，頂板會產生定向裂縫，削弱巷道與采空區上方下關鍵層的機械連接，避免破壞。綜采工作面開采后，巷道上方會出現短壁梁結構。此時，應采取加強措施，提高強度、穩定性和承載能力。

2）爆破后，加強附近巷道的支撐，起到固邊固頂的作用。

3）綜采工作面開采后，在切縫沿線安裝可伸縮工字鋼、金屬網、防風布等擋尾設備。預留巷道段采用單柱吊棚臨時頂板支撐。采空區上方巖層及時坍塌，形成采空區墻，防止采空區內的煤矸石進入預留巷道。

4）采空區煤矸石崩塌壓實后，預留巷道段圍巖結構逐漸穩定。此時，暫時的支持可以逐步取消。為了阻斷預留巷道與采空區段之間的空氣循環，應對采空區邊壁進行噴漿處理，以完成沿空留巷。流程如圖3所示。

圖3 切頂卸壓沿空留巷工藝流程

采用切頂卸壓沿空留巷技術時，要求所留巷道頂板有一定的變形量，但是仍要有足夠的強度，這樣才能保證在采空區塌落時巷道的穩定與安全，一般的錨桿滿足不了這種要求，122109工作面采用何滿潮院士研發的恒阻大變形錨桿，這種錨桿具有負泊松比效應，可實現恒定阻力下的大張拉變形，有效減少頂板沉陷，滿足沿空切頂卸壓和留巷要求，而且恒阻大變形錨桿價格實惠，符合經濟效益。沿空留巷的另一項關鍵技術是定向預裂爆破技術。定向預裂爆破技術就是通過一些方法使爆炸產生的沖擊應力沿徑向方向擴散，并且持續擴展，形成預期的斷裂面，斷裂面可以切斷巷道與上部圍巖的聯系，這樣上部圍巖產生的應力就不會影響巷道，使留巷段圍巖應力環境得到改善，確保留設巷道的穩定性[5-7]。

2.3 切頂卸壓沿空留巷頂板控制

正常情況下，應及時用機器移動車架來支撐屋面。采煤機割煤后，先移動機架，再移動輸送機。采煤機的正常車架運動應落后于采煤機后滾筒3～5個車架。屋面破損時，應跟隨前輪提前移動車架或手動移動車架，即發現墻體嚴重、端面距離超標時，提前移動車架，再進行其他作業。該過程是框架移動→采煤→放頂煤→移動前部輸送機→移動后部輸送機，框架移動步長為865 mm。

2.3.1 初次來壓的頂板管理

1）初次來壓前，工作面做好壓力監測預報，及時支護。采煤機割煤后，及時移架，使支架初撐力達標。

2）根據工作面的地質條件、煤層賦存條件及頂板的巖性，根據需要編制強制放頂專項措施，并嚴格按照作業規程操作，防止工作面老頂初次來壓對支架造成破壞，影響工作面正常回采。

3）依據煤礦頂板動態在線監測情況，掌握工作面來壓規律，并隨時觀測工作面支架壓力變化情況，當工作面支架來壓，信號明顯時，立即匯報當班跟班人員，做好老頂初次來壓期間工作面的頂板管理，并按計劃正常進行推采。

4）回采過程中，要隨時監測和掌握工作面支架的壓力情況，直至工作面老頂初次來壓結束，進入正常回采階段。認真記錄初次來壓期間每班礦壓顯現情況，每班結束形成由工作面推進位置采高情況、煤壁片幫情況、架后懸頂情況、煤炮情況、預計老頂初次來壓距離等詳細數據的觀測報表，并向礦相關科室、領導每班匯報。

2.3.2 初次來壓過后及周期來壓期間的頂板管理

1）初次來壓過后進行現場調查研究，安全無隱患后工作面進行正常回采。

2）周期來壓期間工作面移架要及時，液壓支架必須達到初撐力，及時支護頂板，護好煤幫，防止片幫傷人。

3）在來壓期間，回采時要保證液壓支架的支護狀態良好，接頂嚴密，初撐力不低于泵站出口壓力值的80%，采用鄰架操作及時移架，緊跟前滾筒移架，以利于頂板維護。

2.3.3末采及回撤期間頂板管理

1）工作面與主回撤通道貫通前20 m，要對回撤通道內的支護狀況進行檢查，并對通道內所設觀測點進行測量，對比回撤通道的下沉量，確保所有支護設施良好。

2）工作面距主回撤通道15 m時，工作面生產期間人員禁止進入回撤通道內；工作面檢修期間，除巡檢支護人員外其他人員禁止進入回撤通道內。

3）③工作面推至停采線前，若煤壁與停采線不能互相平行，應提前將工作面調正。

4）④工作面推至停采線時，將支護空間縮小至最小控頂距，清掃浮煤，加固工作面支護，清理上下出口，保持完好暢通。

5）工作面停采時編制停采措施，加強頂板管理。

3 沿空留巷效果分析

為了分析122109運輸巷沿空留巷圍巖控制效果，對試驗段巷道頂板離層和圍巖變化量進行監測。頂板離層監測儀安設在巷道的中部或交岔點的中心位置，掘進巷道每100 m安裝1臺頂板離層監測儀。掘進時，在巷道交岔口、地質構造前后、頂板破碎段等處要安裝頂板離層監測儀，并加強監測。掘進巷道的頂板離層監測儀，新安裝的頂板離層儀應每天觀察1次。該離層儀的淺基點和深基點分別距巷道頂板表面2.6 m和7.7 m。現場觀測表明，留巷期間，工作面前方巷道頂板基本不存在隔層，留巷后各監測點隔水值變化總體較小。選擇典型分離監測點記錄的分離值進行分析，其中深基點的分離層顯示為0，淺基點的變化如圖4所示。

圖4 留巷期間工作面后方巷道頂板離層變化特征

1）隨著工作面的開采，頂板離層大小呈現階躍變化過程。隨著監測點到工作面距離的增加，頂板離散量也隨之增大。

2）工作面后30 m內頂板離層變化明顯，37 m后頂板離層變化不大。

3）在監測滯后工作面60 m范圍內，預留巷道頂板距最大值為15.5 mm，最小值為5 mm。總體控制比較好。

4 結論

1）通過對巷道圍巖結構特征的分析，認為可行的爆破技術和有效的巷道支護是保證巷道保留效果的關鍵。通過定向爆破，減小了沿空留巷頂板懸臂結構面積，使其上方的關鍵巖石斷裂位置向采空區側移動，切削出的煤矸石充填采空區，提高了留巷圍巖的應力，并利用該護巷結構在采空區側形成了新的巷道邊壁。

2）曹家灘煤礦122109綜放工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術后，通過頂板離層監測儀發現，運輸巷沿空留巷圍巖控制整體效果良好，有力的緩解了礦井掘進銜接的矛盾，減少了巷道采掘量。