切頂成巷技術在煤礦開采中的價值分析

車德高CHE De-gao；朱長海ZHU Chang-hai；姜晨JIANG Chen

（①黑龍江省應急管理廳，哈爾濱 150000；②七臺河嵐峰礦業有限公司，七臺河 154500；③黑龍江科技大學，哈爾濱 150022）

0 引言

煤炭是我國重要的能源，在我國一次能源儲備中占有量接近90%，在一次能源生產和消費中，占有量約為70%[1]。傳統的長壁開采需要留設煤柱，不僅會造成資源的大量浪費，且煤柱處會形成應力集中，易導致煤柱破碎，存在安全隱患[2]。2008 年，何滿潮院士[3]提出了“切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術”，該技術與傳統沿空留巷工藝相比，免除了沿巷充填體的構建需求。通過在巷道頂板上實施定向切縫，使得在工作面開采后，能夠引導巷道頂板在預定位置切落，進而通過懸掛防護網和進行封堵，形成了巷道采空區側巷幫。這一方法使得原先服務于上一工作面的回采巷道，能夠繼續服務于新的工作區段，從而只需新開挖一條回采巷道即可實現工作面的開采，達到了無煤柱開采的目的。目前，該技術已在國內多個煤礦中推廣應用。梁紅瑞等[4]介紹了店坪煤礦5-200 工作面的總體情況，借助理論計算、對比分析、工程類比等方法設計切頂卸壓詳細方案，已在店坪煤礦5-200 采煤工作面推廣應用，取得了階段性的良好效果。郭志飚等[5-6]以嘉陽煤礦3118 薄煤層工作面為工程背景，通過現場工程地質條件分析，建立力學模型，推導切縫角度和高度的理論公式，利用數值計算方法，確定預裂切頂合理參數，并分析作用效果。然而，切頂卸壓沿空留巷的設計受到覆巖結構、巷道布置條件等多種因素的影響，是一種涉及復雜動壓的巷道設計[7]。在不同的工程地質條件下，巷道設計中合理切頂參數的選取存在明顯的差異。因此，對于特定巷道設計，深入研究合理切頂關鍵參數的選擇顯得尤為重要。本文以黑龍江雞西礦業集團有限責任公司下屬煤礦為工程背景，采用理論計算、現場調研、工業實踐等手段，對切頂自動成巷技術價值進行分析。

1 研究對象概述

本次切頂成巷技術價值的改進對象為黑龍江雞西礦業集團有限責任公司下屬煤礦，該礦的設計生產能力為120 萬t/a，核定能力為200 萬t/a，其中可采煤層16 層，可采煤層總厚度5.70～15.25m，地表標高在+200～+220m 左右。其中二水平西三54#右三（外）回采工作面位于該礦井西部，埋深759.1～829.7m，煤層厚度2.98m，煤層傾角5～8°，回采工作面平均走向長445m，傾斜長193m，面積53770m2。二水平西三54#右三（外）工作面頂底板特征情況，如表1 所示，采掘平面圖如圖1 所示。

表1 頂底板特征表

圖1 54#右三（外）回采工作面采掘平面圖

2 價值工程情報資料的收集與整理

通過實地勘察、歷史數據整理等情報資料收集工作得出西三54#右三（外）巷道為梯形巷道，巷道掘寬×中高=4.6m×2.6m，錨桿間排距為1m，錨索間距為2m，2 排錨索支護，錨索長度5.2m，鋼帶間距為1m，錨桿長度為2.0m；支護示意圖見圖2。然而，從支護效果來看，該巷道的控制效果并不理想。

圖2 54# 右三（外）回采巷道斷面

經有用的價值情報分析得出：巷道的掘進寬度和中高比例不適合該地質條件，導致巷道圍巖的穩定性不足。錨桿間排距較大，無法及時有效地控制巷道圍巖的變形和松動。雖然采用了兩排錨索支護，但錨索的間距較大，無法提供足夠的支撐力。錨索長度為5.2m，在某些地質條件下不能深入到穩定的巖層，影響支護效果。鋼帶間距較大，可能無法有效地將錨桿和錨索的支撐力傳遞到圍巖中。無法形成有效的支護體系。

3 沿空留巷圍巖控制技術價值功能分析與設計

鑒于上述價值情報，進行沿空留巷圍巖控制技術價值分析和初步設計如下：

①突破巷道高度限制：如果巷道的頂部有穩定的巖層，且這些巖層具有一定的承載能力，可以通過切頂成巷來增加巷道的有效高度，從而提高運輸和通風的效率，同時也為礦工提供了更大的工作空間。

②有利于資源回收：在某些情況下，巷道頂部的巖層可能含有可采的煤炭資源。通過切頂成巷，可以揭露這些煤炭資源，提高資源回收率。

③把控圍巖應力狀態：在高地應力條件下，巷道的頂板可能存在較大的變形和破壞風險。通過切頂成巷，可以調整巷道頂部的應力狀態，降低頂板事故的風險。

④完善煤礦生產布局：礦井的生產布局可能需要通過切頂成巷來調整，以便于實現更高效的生產流程和煤炭資源的合理分配。

⑤保障煤礦安全：在某些情況下，切頂成巷可能是為了消除巷道頂部的安全隱患，如不穩定巖層的處理或者防止頂板垮塌等。

由此本文提出“切、補、護、支”的切頂成巷的煤礦價值工程改進技術，在設計以“切、補、護、支”為核心的沿空留巷工藝流程時，需要根據各巷道受采動影響劇烈程度、圍巖結構等特點進行針對性的設計。以下是設計沿空留巷工藝流程的具體步驟：

①切：切割頂板。

根據巷道頂板的圍巖結構特點，采用合適的切割方法對頂板進行切割。切割過程中，要確保切割面的平整度和切割深度，以便為后續的支護工作提供良好的基礎。切割方法可以包括爆破切割、機械切割等。

②補：補強支護。

針對切割后的頂板，采用補強支護措施以提高頂板的穩定性和承載能力。補強支護可以包括以下幾種方法：錨桿和錨索支護：在切割面周圍布置一定數量的錨桿和錨索，通過錨固作用提高頂板的穩定性。注漿加固：對切割后的頂板進行注漿加固，填充圍巖裂縫，提高圍巖的整體強度。鋼帶、金屬網加固：在頂板表面鋪設鋼帶或金屬網，通過摩擦作用增強頂板的整體穩定性。

③護：巷旁支護。

為了防止采空區側向壓力對巷道的影響，需要在巷道側壁進行巷旁支護。巷旁支護可以采用以下方法：巷旁充填：在巷道側壁與采空區之間進行充填，形成一道隔離帶，以減輕側向壓力對巷道的影響。巷旁錨桿或錨索支護：在巷道側壁布置一定數量的錨桿或錨索，通過錨固作用提高巷道側壁的穩定性。

④支：整體支護。

整體支護是為了保證巷道在采動影響下的長期穩定性和安全性。整體支護可以包括以下方法：錨噴支護：在巷道頂板和側壁進行錨噴支護，形成一層堅固的保護層，提高巷道的整體穩定性。支架支護：在巷道內安裝支架，通過支架的支撐作用分擔頂板的載荷，提高巷道的穩定性。在實際應用中，需要根據具體的礦井條件和開采要求，結合以上方法，對沿空留巷工藝流程進行針對性的設計和調整。同時，要加強監測工作，及時掌握巷道穩定性和圍巖變化情況，確保沿空留巷工藝的順利進行。

3.1 切頂參數設計

在進行回采工作之前，為了降低回采過程中頂板的運動和巷道的變形，提高煤炭資源的回收率，需要在下巷回采方向左幫進行預裂爆破。預裂爆破是一種常用的礦山技術，通過預先在巖體中形成裂縫，降低巖體的整體強度，從而減小采動影響，控制頂板運動和提高資源回收率，切頂參數如表2 所示。

表2 切頂參數設計

設計預裂爆破方案：根據價值改進對象的地質條件、圍巖穩定性、采場尺寸等因素，確定預裂爆破的位置、間距、深度、裝藥量等參數。鉆孔：按照設計方案，使用鉆機在左幫原支護鋼帶外向工作面方向沿走向每隔0.3m 打一個預裂爆破眼。眼深6.0m，孔徑φ45mm。裝藥：將預裂爆破眼清洗干凈，然后按照設計裝藥量每個眼內裝入4 個藥卷。藥卷應沿與鉛垂方向15°夾角施工炮眼，以確保爆破能量沿著預裂縫方向傳播。連線：將所有預裂爆破眼的藥卷用電線連在一起，形成一個電爆網絡。爆破：在確保人員安全的情況下，引爆電爆網絡，進行預裂爆破。爆破時，應采取適當的安全措施，防止爆破波及工作面和巷道。檢查：爆破完成后，對預裂縫的形成情況進行檢查，確保預裂縫的質量和分布滿足設計要求。如有需要，可以對未達到設計效果的區域進行補孔和補藥。支護：預裂爆破完成后，對巷道進行及時支護，以防止因爆破引起的圍巖松動和變形。支護可以包括錨桿、錨索、金屬網、鋼帶等。通過以上步驟，形成切頂卸壓預裂切縫線，可以有效地減輕采動對頂板的影響，控制頂板的運動，提高巷道的穩定性，為回采工作創造良好的條件。同時，預裂爆破還可以提高煤炭資源的回收率，減少資源浪費。

在本價值工程改進案例中，切頂爆破采用三級煤礦乳化炸藥，藥卷規格為φ30mm×300mm，如圖3 所示。

圖3 炮眼裝藥示意圖

具體的切頂爆破裝藥和封堵步驟如下：裝藥：首先，將三級煤礦乳化炸藥藥卷依次頂入炮眼眼底。每炮眼裝入一套藥卷，確保藥卷完全放入炮眼內。雷管放置：在最后一個藥卷上，放置1 發雷管。雷管放置位置應適當，以確保爆破效果。封堵：在雷管上方，放置1 節水炮泥。水炮泥的作用是防止爆破時火焰傳入炸藥，提高爆破安全性能。炮泥封實：將炮泥均勻涂抹在炮眼周圍，封堵炮眼。封泥長度不小于2.5m，以確保封堵效果。炮眼封泥長度：炮眼封泥長度應不小于2.5m，以確保炸藥完全被封堵。孔口至封泥位置：從孔口至封泥位置，不充填炮泥。這樣做是為了便于爆破時火焰傳入炸藥，提高爆破效果。炮眼裝藥示意圖如圖3 所示，展示了炮眼、藥卷、雷管、水炮泥和炮泥的布置情況。完成切頂爆破的裝藥和封堵工作。這樣的裝藥和封堵方法可以有效地控制頂板運動，減輕采動影響，提高資源回收率，并為礦山安全創造良好的條件。同時，采用三級煤礦乳化炸藥具有較高的爆破效果和安全性，適用于煤礦井下切頂爆破作業。

3.2 加強支護設計

切頂留巷加強支護是在煤礦開采過程中的一項重要技術，旨在確保巷道的穩定性和工作人員的安全。在留巷前，頂板的支護是關鍵。在本案例中，頂板在原巷道支護的基礎上，由切眼往外逐步進行加強。具體的留巷前頂板加強支護設計方案如下：①確定支護范圍：回采時，應在超前工作面100m 的范圍內進行頂板加強支護，以確保留巷后的穩定性和安全性。②補打錨索：在確定的支護范圍內，沿巷道走向方向垂直巷道，補打配方托盤（0.3m×0.3m×0.02m）的6.2m長φ21.8mm 錨索。錨索是一種高強度的支護材料，可以有效地提高頂板的穩定性和承載能力。③錨索安裝：在補打錨索時，應按照設計要求進行安裝。將錨索放入預先鉆好的孔內，然后用錨固劑將錨索與孔壁粘結牢固。將托盤放置在孔口處，確保托盤與孔壁緊密接觸。最后，用螺母將錨索與托盤連接牢固，確保錨索的拉力能夠有效地傳遞到托盤上。④補強支護平面圖：補強支護平面圖如圖4 所示，展示了補打錨索的位置、錨索的布置方式以及托盤的放置位置。

圖4 加強支護平面圖

4 價值效果評價

4.1 安全價值

圖5為切頂成巷的價值效果評價曲線，在巷道處于超前支護影響范圍時（即距離工作面30m 范圍），隨著巷道與工作面之間距離的減小，位移量的增長速率也在逐漸加快。在這個階段，工作面推進會引起超前應力集中，巷道表面位移增加是對應力集中的響應。

圖5 留巷價值效果評價曲線

當巷道進入滯后臨時支護區域（即工作面后方0 至60m 的范圍內），巷道表面的位移增長趨勢變得相對緩慢。這個階段，切頂成巷起到了很大作用，使工作面推進引起的圍巖應力集中得到充分釋放、圍巖變形得到了控制從而導致位移增長速度的減緩。

最后，當巷道所處的滯后工作面距離超過60m，巷道進入了成巷穩定區域如圖6 所示。在這個區域內，頂底板和兩幫的位移量都達到了一個相對穩定的狀態。頂底板的最大位移量為282mm，而兩幫的最大位移量為189mm。通過圍巖變形量表明，巷道圍巖已經達自穩狀態，支護狀態良好。進一步驗證了該研究的工程策略的科學性和價值性。

圖6 切頂留巷效果圖

4.2 經濟價值

在西三54#右三（外）巷道實施沿空留巷技術后，每米巷道的成本估算為6500 元，而對于整個445m 的巷道，總成本達到了736 萬元。這項技術的應用不僅避免了巷道和輔助巷的額外掘進費用，解決采掘接續緊張的問題，還使得西三54#右三（外）工作面的布置時間提前了至少2 個月。以每月產量2.3 萬噸計，提前布置將帶來額外4.6 萬噸的產量。依據2023 年的預算，精煤不含稅售價為1500 元/噸，完全成本為300 元/噸，因此，增加的產量將帶來5520萬元的利潤。切頂成巷技術取消保護煤柱的策略使礦井最大限度地釋放了優質產能。原煤柱長度為445m，寬度為6m，平均煤厚為2.98m。增加了2.96 萬噸的煤炭回收量，從而提高了1241 萬元的凈利潤。綜上所述采用新的改進技術創造總經濟效益高6761 萬元，這表明沿空留巷技術為礦井帶來了顯著的經濟收益。

5 結論

本研究通過深入分析黑龍江龍雞西礦業集團下屬煤礦二水平西三54#右三（外）工作面的地質特征和開采條件，針對性地提出了基于切頂成巷技術的巷道支護方案。經過實踐應用和價值評價，不僅驗證了該方案在巷道支護方面的有效性，更揭示了其在提升礦井安全生產水平和經濟效益方面的巨大潛力。

①在巷道支護效果方面，新方案通過實施“切、補、護、支”的沿空留巷支護理念，有效減少了巷道表面的變形量。爆破預裂鉆孔的精準施工、頂板補強支護的穩固布置、巷旁擋矸設施的完善構建以及滯后臨時支護的及時跟進，共同確保了巷道的穩定性和安全性。這不僅提高了巷道的使用壽命，降低了巷道維護成本，更為礦工提供了一個更為安全、舒適的工作環境。②在安全生產水平提升方面，新方案的實施顯著降低了礦井事故發生的風險。通過優化巷道支護結構，減少了因巷道變形引發的安全事故隱患。同時，新方案還提高了礦井的抗災能力，為應對突發地質災害提供了更為可靠的保障。③在經濟效益分析方面，新方案帶來的收益遠超預期。雖然初期投入較高，但長期來看，其降低了巷道維護成本、提高了生產效率、延長了礦井服務年限，為礦井帶來了可觀的收益。經詳細計算，采用該技術可為礦井帶來約6761 萬元的收益，充分證明了切頂成巷技術在煤礦開采中的重要價值。

綜上所述，本研究提出的基于切頂成巷技術的巷道支護方案在黑龍江龍煤雞西礦業集團下屬煤礦的應用中取得了顯著成效。它不僅解決了特定地質條件下采掘接替緊張與回采率低下的難題，還為類似條件下的煤礦開采提供了有益的技術參考和經濟效益分析。展望未來，隨著技術的不斷進步和應用的不斷深化，切頂成巷技術將在煤礦開采領域發揮更加重要的作用，為煤礦安全生產和經濟效益的提升做出更大的貢獻。