哈拉沟煤矿切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术

张志杰

(1.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054；2.神东煤炭集团哈拉沟煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

沿空留巷作为一项有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效果的护巷方式，不仅可以合理开发煤炭资源，还由于少掘进一条巷道，缓和了矿井生产接替的矛盾。李化敏[1]根据平顶山某煤矿沿空留巷矿压观测规律，分析了沿空留巷不同时期顶板的活动规律和特征，提出了对应的巷旁支护设计原则；周华强等[2]提出沿空巷道支护体系采取U型钢支架+锚网索+水泥浆注浆+沿空巷道巷旁充填支护方式，形成了沿空留巷工艺体系；孙恒虎[3]运用弹塑性力学理论将顶板简化为层状组合板，并推导得出沿空留巷巷旁支护体的荷载主要来自于层状组合板短支撑边界。

传统沿空留巷技术基本上实现了无煤柱开采，但未改变上覆岩层的传力结构，临近工作面煤体上方存在明显应力集中，巷道容易失稳等问题。何满潮[4-5]提出，对沿空巷道顶板实施超前预裂，将巷道围岩应力集中转移到深部，实现巷道稳定，取得了良好的效果。王维维[6]在深孔爆破基础上，对沿空巷道预先深孔爆破，降低了护巷体承受的顶板压力。刘小强[7]总结出在软岩巷道切顶留巷，不需二次维护，可保持巷道较大断面，满足通风需求。为进一步扩大该技术的应用范围，文中以哈拉沟煤矿12201综采工作面为工程背景，对浅埋煤层切顶卸压沿空留巷技术进行研究。

1 切顶卸压沿空留巷技术

1.1 技术原理

该技术采用爆破预裂顶板，在采场周期来压下沿空切顶，形成对上覆基本顶岩梁的支撑结构，控制基本顶的回转和下沉变形，实现卸压；切落的顶板形成巷帮，隔离采空区，从而保留了工作面下平巷，实现单面单巷采掘模式。

1.2 技术关键

双向聚能张拉成型爆破预裂：双向聚能爆破的实质是通过双向聚能装置导向和抑制作用，对爆轰产物产生双向聚能效应，使非设定方向上的围岩均匀抗压，而设定的2个方向上集中受拉，在张应力的作用下实现岩体的定向断裂[8-10]。要使双向聚能装置达到聚能张拉的效果，一方面，要求聚能装置具有一定的强度，以减少爆轰产物对预留围岩的损伤；另一方面，要求聚能管强度不能过大，以减少作用于聚能装置上的能量消耗和减少装置成本。作用机理图如图1所示。

图1 聚能拉张作用机理图

横阻大变形锚索：传统锚索支护仅能承受一次围岩变形，且变形量有限，当工作面采用切顶卸压无煤柱开采技术后，下一工作面沿空侧顺槽需要承受3次围岩变形的影响，首先是预裂爆破时，爆破产生的应力波影响，其次是工作面推过后，采场上覆岩层的应力传递的影响，最后是下一工作面开采时超前应力的影响。采用恒阻大变形锚索能够很好地解决巷道3次受力的影响。恒阻大变形锚索不仅能够承受围岩的大变形，同时能够吸收围岩释放的膨胀能以及其他非线性能量，采用恒阻大变形锚索能够很好地解决巷道3次受力的影响。支护原理图如图2所示。

a-围岩变形前；b-围岩变形中；c-围岩变形后图2 恒阻大变形锚杆(索)支护原理

2 工程应用

2.1 工程概况

哈拉沟煤矿12201综采工作面长320 m，切眼至停采线长度747 m，沿空留巷长580 m，平均煤厚1.9 m，工作面平均采高2 m。煤层埋深60～100 m，直接顶为粉砂岩，均厚1.84 m；直接顶上部为12上煤层，均厚1.56 m；12上煤层上部为均厚1.35 m的泥岩。老顶由均厚为3.34 m的细粒砂岩和均厚为4.05 m的粉砂岩组成。

2.2 沿空留巷设计参数

切顶高度：通过定向聚能爆破技术对煤层顶板定向切割裂缝，从顺槽顶板平面到切缝向上发育的最大垂直距离称为切顶高度。根据何满潮院士提出切缝高度理论计算公式可知：

H缝=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(K-1)

(1)

式中：ΔH1—顶板下沉量，m；ΔH2—底鼓量，m；K—碎胀系数，1.3～1.5；本次K取1.3，在不考虑底鼓、顶板下沉，仅考虑采高的影响，则H缝=6.7 m，考虑到本工作面煤层顶板属于复合顶板，顶板下沉量和底板鼓起量，确定本次预裂切缝孔深度为6 m。

切缝角度：垂直巷道顶板切缝，采空区悬空区范围小，巷道实体煤帮处竖向应力较大，顶板垮落不彻底，且顶板垮落缓慢，矸石垮落过程中与巷道顶板岩层易产生动态切应力，不利于巷道稳定；10°偏转角切缝，采空区悬空范围较小，顶板垮落速度较快，超前应力区域形状规则、范围较小，留巷侧侧应力集中，距顺槽较远；20°偏转角切缝，采空区悬空范围最大，容易造成更大的顶板回转变形量及离层量，所需支护强度较大，顶板垮落较快。通过对相似开采条件的矿井实际调查，切缝存在明显角度效应，不但能够影响采空区顶板垮落，还能够影响应力集中区分布；适宜的切缝偏转角有利于采空区顶板垮落，有助于使采场应力分布更加合理。因此确定本次最佳切缝角度为10°。

2.3 支护参数

根据恒阻大变形锚索的支护机理的分析可知，恒阻大变形锚索不仅能够承受围岩的大变形，同时能够吸收围岩释放的膨胀能以及其他非线性能量，为此在设计巷道支护设计时，结合本研究内容，确定哈拉沟煤矿12201运顺的围岩变形的关键部位为切缝侧，在靠近切缝侧补打恒阻大变形锚索，支护断面如图3所示。

图3 横阻锚索支护断面图

此时工作面前方主要划分为3个矿压区域：切顶影响区、中部未影响区和未切顶影响区。切顶沿空留巷矿压分区如图4所示。

图4 切顶沿空留巷矿压分区

3 矿压监测

3.1 工作面矿压显现规律

根据工作面矿压分区的情况，选择5#、10#、20#、90#、100#、125#和165#共7个液压支架进行矿压监测，其中5#、10#、20#支架位于切顶影响区，90#、100#支架位于中部未影响区，125#和165#支架位于未切顶影响区。

5#、10#、20#支架在工作面开始回采阶段处于双巷掘进影响区，推至173 m时3个支架步入切顶影响区。5#、10#、20#支架在上述2个阶段的周期来压步距统计见表1。

表1 周期来压步距

3个支架在随工作面推进的过程中经过切顶影响区2个阶段的支架荷载统计见表2。

表2 支架荷载

由表2可知：切顶影响区较传统双巷掘进影响区，周期来压最大值减少10～12 MPa，减少约20%。基本顶断裂步距增大，但支架工作阻力减小，表明在切顶爆破的影响下，直接顶破断垮落后，形成碎涨的矸石通常可以将采空区充满，基本顶发生回转的空间较小，因此回转变形也较小，进而对沿空留巷直接顶产生的压力也较小。

中部未影响区和未切顶影响区95#、100#、125#、165#支架周压步距、荷载见表3。

由表3可知：工作面中部的支架周期来压最大值60 MPa，平均值44 MPa，周期来压步距10～20 m；回顺侧切顶未影响区周期来压最大值55 MPa，平均值37 MPa，周期来压步距8～12 m。

表3 中部未影响区和未切顶影响区支架荷载和周期来压步距

3.2 矿压显现规律分析

根据工作面推进情况和顶板离层仪布置情况，选择6#、4#、1#共3个顶板离层监测点，其位置分别距12201工作面开切眼260 m、330 m、480 m。3个顶板离层监测点的顶板离层值变化曲线如图5所示。

a-6#离层检测仪顶板离层值变化曲线；b-4#离层检测仪顶板离层值变化曲线；c-1#离层检测仪顶板离层值变化曲线图5 顶板离层值变化曲线图

由图5分析可知：工作面的推进对巷道顶板离层产生影响，一般处于±50 m范围之内。由6#、4#监测点的曲线平稳位置可知，工作面回采过后，顶板离层值趋于稳定时滞后工作面的距离分别为81 m和94 m。即当滞后工作面距离大于95 m后，巷道顶板离层才趋于稳定。

在12202工作面切眼和8#车硐之间布设10个十字位移测点，监测支柱撤出后巷道围岩位移状况，测点间隔10 m。经一周监测得到巷道围岩变形状况见表4。

表4 巷道十字布点位移监测

撤柱区十字测点监测结果显示，两帮移近量只有J2为2 mm，其余均为0 mm，顶底板移近量只有J4和J9为1 mm，其余均为0 mm。表明单体撤出约1周后，顶板趋于稳定。顶板累计下沉平均约9 mm。

4 经济效益

采用切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术后，其新增支护成本为356.5万元；与留煤柱护巷开采相比，采用切顶卸压沿空成巷新技术可以少掘一条巷道，按照原设计时采用的锚杆+锚索+钢筋网联合支护，则采区掘进净断面平均14 m2，总单价6 600元/m，按试验及推广采区可以少掘进580 m，可以节约的总费用为：580 m×6 600元/m=382.8万元。

与煤柱护巷相比较，按照10 m宽的护巷煤柱计算，按照试验及推广采区工程计算，可以多采出13 041 t煤，按照吨煤市场价格380元/t，可创收881.6万元，直接经济效益约为855.3万元。

5 结论

(1)根据哈拉沟煤矿浅埋、含煤复合顶板开采顶板运动模式和矿压显现特征，建立了切顶卸压顶板运动力学模型，确定了切缝高度为6 m，切缝角度为10°。

(2)矿压监测结果表明，切顶影响区较传统双巷掘进影响区，周压步距增加18～22 m，增加约2倍，周期来压最大值减少10～11 MPa，减少20%；通过巷道离层、顶底板位移等的观测，得出工作面的推进对巷道顶板离层产生影响，一般处于距工作面煤壁±50 m范围之内；当滞后工作面距离大于100 m后，巷道顶板离层与顶板下沉量趋于稳定，活柱下缩量最大值为217 mm；支柱撤出一周后，巷道顶板趋于稳定，期间累计下沉量约9 mm。

(3)通过对哈拉沟煤矿12201工作面运顺留巷工程地质条件的分析，运用切顶卸压沿空留巷技术原理进行了沿空留巷设计，研究了留巷工艺，将之应用到现场，取得良好的应用效果。研究表明，以理论研究结果所确定的切顶卸压沿空留巷技术原理及各项关键技术，可以实现综采面开采高产高效的目标，大幅提高矿山经济效益。