切顶卸压沿空留巷技术在鹿台山煤业的应用

王文杰

(山西阳煤集团运裕公司，山西 阳泉 045000)

0 引言

目前鹿台山煤矿2#煤层工作面均采用双巷布置，U型通风，工作面间留设15 m保护煤柱。这种布置方式主要存在着巷道掘进成本高、支护难度大，采掘接续衔接紧张，煤柱资源浪费严重，煤柱自然发火威胁矿井安全生产等问题。为解决这一难题，矿井从2203工作面开始采用切顶卸压沿空留巷技术，成功地解决了以上问题。

1 切顶卸压沿空留巷技术的原理

切顶卸压沿空留巷即沿工作面前方预留巷道采空区侧布置爆破切顶钻孔，对工作面顶板进行超前预裂爆破，使顶板沿预定方向产生切缝，即为切顶线；随着工作面的不断推进，采空区顶板周期性来压，巷道采空区侧顶板沿切缝垮落形成留巷巷帮，进而实现切顶卸压沿空留巷，大大减轻采空区顶板来压时对留巷的影响，留巷效果如图1所示。

图1 切顶卸压沿空留巷技术原理示意图

切顶卸压的技术原理主要是爆破预裂顶板切断了直接顶及基本顶的悬臂，断开了巷道顶板与采空区侧顶板的联系，减少了支护体承担岩石重力，减少了顶板岩层的回转角及下沉量，保证了巷道顶板岩层的完整性，避免直接顶岩层与基本顶岩层间的离层，将巷道周边的应力集中向围岩深部转移，改善巷道所处位置围岩应力环境。

成巷的技术原理主要是定向断裂的岩体在采动压力作用下，顶板沿切缝自行垮落，切顶卸压一次成巷。减轻了采空区顶板垮落时对留巷支护的破坏作用，减少了巷道维护量，节约了大量的人力、物力和财力。

2 切顶卸压沿空留巷支护分区

工作面推进过程中，不同位置巷道受采动影响不同。工作面超前段会受到超前压力的影响，工作面开采后，顶板开采垮落，且从垮落到稳定需要一定的时间，因此距工作面较近的架后区域不仅需要进行顶板支护，还需进行挡矸支护。随着工作面继续推进，当巷道距工作面较远时，顶板运动基本会趋于稳定，此时可将架后临时支护的设备撤掉，只进行挡矸支护即可。根据现场监测经验，将工作面前后划分为3个区：超前支护区，滞后临时支护区和成巷稳定区，不同分区根据需要采取不同的支护措施，如图2所示。

图2 切顶卸压沿空留巷支护分区

2.1 超前支护区

此段巷道位于工作面超前采动影响区，巷道顶板压力较大，因此需要超前支护。超前支护通常采用“单体液压支柱+π型钢梁”进行支护，“一梁三柱”布置，若超前支撑压力影响范围很大，相应增加超前支护范围；若超前支撑压力很大，则减小“单体液压支柱+π型钢梁”排距或改“一梁三柱”为“一梁四柱”布置增加支护强度。在不影响工作面生产的情况下，也可采用单体液压支柱抬棚进行超前支护。

2.2 滞后临时支护区

此段巷道位于工作面后方周期压力影响区，受动压影响明显，巷道顶板压力较大。为了防止周期来压时顶板垮落岩石冲入巷道和留巷初期顶板的下沉，常采用联合支护形式。

单体液压支柱+工字钢：滞后临时支护区范围内在靠近采空区侧采用一排“密集单体支柱+工字钢”进行挡矸支护，在巷道内部布置“一梁三柱”的“单体液压支柱+π型钢梁”进行顶板支护。

工字钢+单体液压支柱液压抬棚：采空区侧采用密集单体柱进行挡矸支护，巷道内部采用单体液压支柱抬棚进行顶板支护，单体液压支柱抬棚可根据实际情况适当调整抬棚之间的距离。具体支护方式应根据工作面围岩性质并结合滞后临时支护区顶板压力调整。

2.3 成巷稳定区

此段巷道位于开始留巷位置与超后临时支护区之间，此区域内巷道受采动影响很小，顶板下沉量及单体支柱的压力变化很小，可认为该区域已趋于稳定状态，可将临时支护的顶板支护撤掉，只保留密集单体柱进行挡矸。

3 切顶卸压沿空留巷技术的优势

3.1 缓解采掘接替紧张，节约了巷道掘进费

如图3所示，如果2203工作面采用双巷布置，即该回采工作面需要掘进2条巷道，运输巷和回风巷。这2条巷道在2202工作面回采期间及2202工作面回采结束后的1年内，2203回风巷受采动压力的影响暂时不能掘进，否则会造成掘进速度慢、掘进困难，采掘关系紧张。同时巷道变形大，巷道支护、维护成本高。

图3 2203工作面双巷布置平面图

图4 沿空留巷模式下2203工作面布置平面图

如图4所示，如果2203工作面采用切顶卸压沿空留巷技术，在2202工作面回采前，采用切顶卸压技术将2202运输巷与工作面(回采后形成采空区)顶板切断，待2202工作面回采后，采空区上方顶板沿切缝垮落形成巷帮，实现2202运输巷沿空留巷作为2203回风巷。采用这种技术后，只需掘进2203运输巷和切眼，就能形成2203工作面的巷道系统，少掘一条回风巷，有利于缓解矿井采掘接替紧张，改善矿井采掘接替关系。根据矿井采掘工程平面图，2203回风巷长1 328 m，按照煤巷4 100元/m的掘进成本来算，少掘一条回风巷能够节省掘进费用544.8万元。

3.2 增加煤炭产量，提升矿井经济效益

采用切顶卸压沿空留巷技术后，工作面之间没有保护煤柱，2203工作面长度增加15 m，能够提高采区回采率9%。2203工作面回采长度1 250 m，平均煤厚2.2 m，2#煤视密度1.53 t/m3，若采用切顶卸压沿空留巷技术将原计划留设15 m的保护煤柱全部开采出来，能够增加工作面产量6.3万t。按照吨煤价格800元计算，2203工作面能够增加销售额5 040万元。鹿台山煤矿目前保护煤柱留设宽度15 m，其中2#煤层还有7个工作面尚未开采，若全部采用切顶卸压沿空留巷技术，将节省6个区段保护煤柱，保守估计煤柱储量达45万t，按照吨煤售价800元计算，价值3.6亿元。

3.3 实现无煤柱连续开采，消除“孤岛工作面”

“孤岛工作面”是指准备回采的工作面周围均为采空区或者工作面区段巷两侧均为采空区的工作面，在这种工作面内进行的采煤工作称为“孤岛”工作面采煤。这种工作面采场顶板覆岩结构失稳会对工作面支架造成冲击载荷，形成大面积片帮，严重时会造成支架压死、设备损坏，挤出的煤体会封堵工作面出口，同时导致瓦斯涌出量增加等工程灾害。采用切顶卸压沿空掘巷技术后，工作面之间不再留设区段保护煤柱，并且不需要工作面跳采，从根本上避免了出现孤岛工作面的情况。

3.4 改善巷道围岩结构及应力分布，降低支护难度

工作面自开切眼推进一定距离后，首先在悬露老顶的中央及巷道边缘形成“O”型破断，之后沿断裂线回转下沉，形成X型破断，这个过程就是顶板的“O-X”破断，同时也是工作面初次来压的过程。随着工作面继续推进，顶板的“O-X”破断也向前移动，造成工作面周期来压，在顶板的“O-X”破断过程中，工作面端头后方会形成弧形三角板，在采空区固定边界的上方也就是煤柱或煤体上方经常形成不整齐的顶板残留边界。弧形三角板和残留边界的形成过程对巷道产生动压影响，形成后的顶板结构对巷道产生静压影响。若工作面不采用切顶卸压沿空留巷技术，回采过程中在工作面上下端头上方主关键层形成“弧形三角板”，对巷道造成动压影响，随着工作面继续推进，“弧形三角板”稳定后对巷道造成静压影响。

在“弧形三角板”动压和静压的影响下，巷道围岩结构遭到破坏，造成巷道所受应力大、巷道变形大，支护困难，返修率高，维护成本高。采用切顶卸压沿空留巷技术后，切断留巷巷道顶板与采空区顶板岩层之间的联系，应力无法传递，避免留巷巷道受到“弧形三角板”动压和静压的影响，改善巷道围岩结构及应力场分布情况，降低巷道支护难度，减少巷道维护费用，减少巷道掘进事故。

4 结语

鹿台山煤矿在采煤工作面应用切顶卸压沿空留巷技术，实现了采煤工作面的无煤柱连续开采，减少了巷道掘进费，节约了巷道维护成本，缓解了采掘接续紧张局面，提高了矿井资源回收率，增加了矿井效益，符合绿色矿山建设要求，对促进无煤柱护巷技术的发展具有一定的指导意义。