沿空留巷密集孔切頂卸壓技術實踐

何文帥，袁紅平，黨永超，顏少波

(陜西瑞能煤業有限責任公司，陜西 延安 727307)

0 引言

隨著礦業技術、裝備的不斷發展，沿空留巷技術得到發展，降低了巷道掘進率、緩解了采掘接替，優化開拓開采布局，消除了煤柱上下區域的應力集中，是煤炭資源綠色、安全、高效的開采技術之一[1-4]。該技術是指在回采巷道將要形成的采空區側定向預裂，切斷頂板的應力傳遞路徑，縮短頂板懸臂梁的長度，減少采空區側煤體受到回采動壓的影響；工作面回采后，頂板沿預裂位置滑落形成巷幫，該巷道作為下工作面的運輸巷，且其受頂板作用力大大減少，能保證巷道使用期間的穩定性。

何滿潮院士提出的切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術目前已經發展的非常完善[5-6]，但是針對個別礦井的特殊問題，還可進一步改進。出于安全方面考慮，對116綜采工作面繼續使用110工法，但是在切頂卸壓技術上不使用爆破技術來達到成巷效果。為此，提出密集孔切頂技術，并對密集孔切頂技術在密集孔切縫角度、密集孔切縫高度、密集孔切縫鉆孔間距及其相應的支護方案進行研究。

1 切頂卸壓技術及特點

1.1 切頂卸壓技術

頂板定向預裂切縫技術：利用巖體抗壓怕拉特性，通過頂板定向預裂爆破裝置，實現爆破時在2個設定方向上形成聚能流，并產生集中拉張應力，使頂板按照設定方向張拉斷裂形成預裂面[7-9]。現場應用結果表明，該技術能按設計位置及方向對頂板進行預裂切縫，使頂板按照設計高度沿預裂切縫面切落，達到了既能主動切頂又不破壞頂板的目的。

NPR恒阻大變形錨索支護技術：針對切頂卸壓自動成巷礦壓顯現特點，采用具有負泊松效應(NPR效應)的恒阻大變形錨索對巷道圍巖進行支護，實現當圍巖產生一定大變形后仍能保持穩定[10-12]。力學特性試驗結果表明，恒阻大變形錨索具有超常力學特性，恒阻值及恒阻運行長度等物理力學參數均居于國際領先地位，采用恒阻大變形支護材料可以實現在恒定支護阻力條件下的拉伸大變形，能夠適應并有效控制動壓影響下巷道頂板下沉所產生的大變形。

擋矸支護技術：針對110工法采空區矸石垮落特點，聯合運用液壓單體支柱、可縮U型鋼、金屬網等材料對采空區矸石進行防護，以抵抗頂板垮落過程中對碎石幫產生的側向動荷載。而且可以防止垮落矸石竄入巷道，降低碎石幫在未壓實穩定時向巷內產生較大鼓出變形。

礦壓遠程實時監控技術：為掌握110工法在現場應用過程中的巷道圍巖及支護體礦壓顯現情況，專門研發了一套與110工法配套的礦壓遠程實時監控系統。該系統以實用礦山壓力理論為核心，將恒阻錨索受力及變形、頂板離層、頂底板移近量、留巷段支護結構受力、煤體支承壓力、工作面支架壓力等監測集于一體，可實現對整個工作面全方位一體化實時監測及預警。

1.2 技術特點

切頂卸壓沿空自動成巷無煤柱開采技術，能夠將頂板按設計位置切落，切斷頂板的應力傳遞，能夠使回采巷道自動形成巷道，供下一工作面使用，并使其處于卸壓區，解除了高應力環境的威脅。該技術能夠消除鄰近工作面煤體上方應力集中，控制采空區頂板垮落，減小巷道掘進率，可實現無煤柱開采。

2 工程背景

116工作面位于121盤區東北部井田邊界處，呈南北向布置。該工作面北側距402運輸順槽20 m，南側為北區回風大巷，西側為112采空區，東側為118備采工作面。116綜采工作面全長180 m，推進距離380 m，可采煤層為2號煤層，煤層厚度1.8～2.3 m，平均煤厚2.05 m，煤層傾角2°～5°，平均傾角3°，煤厚變化沿回采方向由厚變薄。該礦井屬低瓦斯礦井。116綜采工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 116綜采工作面煤層頂底板情況

3 密集孔切頂技術

根據116綜采工作面的地質情況，對密集孔切頂技術研究主要包括頂板定向預裂切縫角度、頂板定向預裂切縫高度和頂板定向預裂切縫鉆孔間距。

3.1 密集孔切縫角度

頂板定向預裂切縫角度的合理確定對切頂效果有著重要影響。根據相關研究表明，確定切縫角度的關鍵因素為工作面的采高，確定煤層、頂底板等相關地質條件不變，隨著采高的不斷增加，切縫角度越小。根據采高H的不同，切縫鉆孔角度(βd)可根據工程經驗進行確定，即當H≤1 m時，βd=20°；當1 m

因此，116工作面的煤層平均厚度為2.05 m，確定密集孔切縫鉆孔角度(βd)為15°。根據規章制度相關要求，頂板定向預裂切縫施工應至少超前工作面50 m進行。

3.2 密集孔切縫高度

密集孔切縫高度的大小直接決定著110工法的成敗。當切縫高度較低時，垮落頂板不足以填滿巷道側，造成通風困難并增加頂板冒落風險，當切縫高度較高時，頂板不易垮落，及時達不到預期沿空留巷效果，并會帶來一系列安全隱患。合理地確定切縫高度是必要的。

通過頂板定向預裂切縫高度與采高密切相關公式可以大致確定鉆孔深度

LF=H/(Kp-1)

(1)

式中，LF為密集孔切縫鉆孔深度，m；Kp為巖石碎脹系數。

116綜采工作面直接頂為泥巖，基本頂為細粒砂巖夾泥巖，根據煤礦常用巖石碎脹系數表可知，直接頂的碎脹系數小于1.2，基本頂碎脹系數為1.3～1.5，本次切縫高度計算中的碎脹系數取直接頂和基本頂的平均，因此碎脹系數為1.3。將采高H=2.05 m帶入公式得LF為6.87 m。按照工作面上覆巖層垮落后在采空區破碎后能夠完全充填采空區為依據進行計算垮落帶高度作為密集孔切縫高度的驗證。垮落帶高度的計算公式為

Hk=H/(Kp-1)

(2)

式中，Hk為垮落帶高度，m；H為采高,m；Kp為巖石的碎脹系數。碎脹系數取1.3計算，該工作面切眼處采高最大為2.6 m，按照最大采高計算，工作面垮落帶最大高度為8.67 m，即確定密集孔切頂高度LF為8.67 m。116回風順槽密集孔現場施工圖如圖1所示。

圖1 116回風順槽密集孔現場施工

通過確定合理的切頂高度，切斷頂板側向懸臂長度，使切頂高度內巖層垮落后能充滿整個采空區，對更上位的巖層起到了較好的支撐作用，從而優化了留巷頂板結構，最大限度地降低頂板巖層回轉下沉對留巷的擾動作用，沿空留巷圍巖應力得到有效改善，其穩定性也得到顯著提高。

3.3 密集孔切縫鉆孔間距

頂板定向預裂切縫鉆孔直徑一般為46～48 mm。根據巖性不同，設計不同的切縫鉆孔間距。頂板為堅硬頂板時鉆孔間距為500 mm，頂板為軟巖頂板時鉆孔間距為550 mm，頂板為破碎頂板時鉆孔間距為600 mm；頂板為復合頂板時鉆孔間距為500～600 mm。密集孔切頂的關鍵技術就是減少鉆孔間距來達到定向預裂切縫效果，使得避免炸藥的使用。密集孔切縫鉆孔間距需要重新確定，根據之前110工法工作面頂板定向欲裂切縫鉆孔施工后，通過鉆孔窺視儀進行探測，鉆孔探測圖如圖2所示。

圖2 鉆孔窺視圖

通過鉆孔窺視儀可以探測鉆孔內裂隙的發育狀況，單一鉆孔情況下，裂隙隨著頂板的增加一直延伸，測得裂隙深度大約為40～60 mm。最終確定密集孔的鉆孔間距為100 mm。密集孔切頂技術改變了以往繁瑣的步驟。116回風順槽密集孔設計圖如圖3所示。

圖3 116回風順槽密集孔設計

4 支護方案的確定

4.1 NPR恒阻大變形錨索支護設計

工作面回采后，在頂板周期壓力作用下，頂板沿密集孔切縫自動切落過程中，采用NPR恒阻大變形錨索支護能夠適應并有效控制動壓影響下巷道頂板下沉所產生的大變形，確保頂板穩定。為保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩定，在實施頂板預裂切縫前采用NPR恒阻大變形錨索支護巷道。NPR恒阻大變形錨索由一般性鋼絞線、恒阻器、鎖具及托盤等組成。型號HZS35-300-0.5，恒阻值330±20 kN，φ21.8 mm；NPR恒阻大變形錨索最小長度(LH)可按照式(4)進行設計

LH=LF+2.0

(4)

式中，LH為NPR恒阻大變形錨索最小長度，m；LF為預裂切縫高度，m。

將數值帶入得LH為10.0 m，根據順槽頂板巖性情況及巷道原支護參數，恒阻大變形錨索設計長度取10.3 m。在距離主幫600 mm、巷中分別施工恒阻大變形錨索，巷旁側間距800 mm，巷中側間距2.4 m，距離巷道中心線200 mm(偏向副幫)，孔深10.30 m，鋼絞線外露長度150 mm，預應力值不小于45 MPa。采用防腐讓壓鎖具施工恒阻錨索時，巷中間排距調整為1 600 mm，距離巷道中心線200 mm(偏向副幫)。

4.2 巷中及巷旁支護設計

超后臨時支護區(架后0～180 m)。此段巷道位于工作面超后影響區，受動壓影響明顯，巷道頂板壓力較大根據現場條件，設計U型鋼+鋼筋網+單體液壓支柱支護。架后0～180 m巷中采用單體液壓支柱+花邊梁進行頂板加強支護，間排距500 mm×500 mm，巷旁采用U型鋼+鋼筋網+單體液壓支柱支護的支護方式，單體支柱與U型鋼間距為500 mm。

成巷穩定區(架后180 m之后)。此段巷道受采動影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認為該區域已趨于穩定狀態，可將臨時支護單體撤掉，只保留U型梁進行擋矸，擋矸支護采用U型梁，U型梁間距500 mm，116回風順槽巷旁支護圖、擋矸支護側視圖示意圖如圖4所示。

圖4 116回風順槽巷旁支護圖、擋矸支護側視圖

5 現場施工

5.1 施工過程

按順序分為3步，即恒阻錨索支護、施工密集孔、施工工作面后方巷旁支護及巷道中部臨時支護。回采前，按照恒阻錨索支護設計施工恒阻錨索，回采過程中恒阻錨索施工必須超前工作面不少于70 m；回采過程中密集孔施工必須滯后恒阻錨索20 m且超前工作面距離不少于50 m；當工作面推進180 m后，對工作面后方巷旁及巷中臨時支護進行有序拆除，直至留巷結束。

5.2 監測分析

116回順布置頂底板移近量測點，每隔50 m布置一組，監測儀器型號為礦用本安型頂底板移近量監測儀YHU200，對巷道頂底板變形情況進行監測。在116回順臨時支護單體間隔50 m安裝一個單體壓力檢測儀，定期監測單體壓力值，并進行詳細記錄。116回風順槽頂底板移近量、單體壓力與工作面推進度變化情況見表2。

表2 116回風順頂底板移近量、單體壓力觀測統計

隨工作面的推進，工作面支架后方頂板能夠及時垮落并充填采空區，經現場實測，巷道頂板最大下沉量為150 mm，底板鼓起量最大為200 mm，留巷斷面平均為4.2 m×2.4 m，巷道頂板未發現明顯斷裂，巷道內恒阻錨索支護未發現失效、破壞現象，成巷效果明顯。可以看出，密集孔切頂技術的實現不但保障了成巷的質量，不影響正常安全高效生產，而且減少了藥的損耗以及大量的財力物力，有利于煤礦的進一步快速發展。

5.3 密集孔留巷的關鍵

采空區頂板能否沿密集孔中心線及時垮落決定了成巷質量。采空區頂板能否沿密集孔中心線垮落一方面由頂板的巖性決定，如頂板的層理、節理發育程度；另一方面由密集孔的深度、孔徑、角度決定。現場密集孔的施工質量則成為密集孔在上覆巖層與巷旁側擋矸支護的共同作用下能否切斷采空區基本頂懸臂巖梁與留巷上覆巖層之間聯系的關鍵因素。在密集孔參數設計時，必須充分考慮頂板巖性、工作面回采高度、采空區垮落最大高度等因素。如礦井有類似施工經驗，則優先參考類似工程下的施工經驗設計密集孔參數。現場施工時，必須加強密集孔施工質量監管。重點對密集孔的直線性、深度、角度進行監管，嚴格按照設計施工，誤差不超過規定值。施工前，應在巷道內進行防線、描點，提高現場施工的質量。條件允許時，用鉆孔窺視儀對孔深、孔內裂縫情況進行窺視、統計，以提高密集孔施工質量。留巷過程中必須對留巷段的巷道成形、采空區頂板垮落情況、巷道內恒阻錨索支護質量、原巷道支護質量、底鼓及巷道內臨時支護等進行定期檢查。若工作面回采過后，支架后方采空區頂板不能及時垮落造成巷道收斂嚴重，巷道內壓力顯現明顯，則須及時調整鉆孔參數，或采取補強支護方式對留巷方案進行調整。

6 結論

(1)合理確定了密集孔切頂技術相關的參數，密集孔切縫角度、密集孔切縫高度、密集孔切縫鉆孔間距。

(2)116綜采工作面回風順槽運用密集孔切頂技術成功的保留了巷道，成功留巷150 m；通過監測分析，發現成巷效果顯著，并且提高了工作效率，減小了事故風險，為煤礦節省了大量經濟支出。

(3)針對運用密集孔切頂技術成巷的支護措施進行了優化改進，在保障支護效果的前提下，大大減少了支護材料的用量，帶來了不小的經濟效益。