杜儿坪矿切顶卸压自动成巷技术研究与应用

曹林虎

(西山煤电集团公司 技术中心，山西 太原 063000)

切顶卸压无煤柱自动成巷开采技术 “110工法”是继锚杆支护技术之后又一次技术革命[1]. 杨汉宏，薛二龙[2]以哈拉沟煤矿12201工作面为典型，提出了现场采用恒阻锚索进行加强支护等一系列试验设计方案，得出切顶卸压自动成巷技术可以应用于西部矿区特殊地质条件的结论；王成祥[3]以柠条塔煤矿S1201工作面的试验为基础，提出了切顶卸压自动成巷技术设计参数，完成了施工工艺，总结了技术成果及相关建议；魏锦周[4]以盖州煤业9102回风巷为例，基于切顶短壁理论分析，计算了施工过程中恒阻大变形锚索锚固长度以及成巷后的验证方法；杨晓杰，侯定贵等[5]采用三维离散元软件对浅埋深煤层切顶卸压自动成巷进行研究，结果表明：不同顶板预裂切顶高度对顶板顺利切顶成巷有较大影响，切缝应有效切断采空区顶板与留巷顶板间的应力传递。

西山煤电集团公司为解决各矿井生产衔接紧张问题，提高煤炭资源回收率，确定在杜儿坪矿62711工作面采用切顶卸压自动成巷开采技术。

1 工作面基本情况

杜儿坪矿62711工作面属北七2#煤盘区首采面，瓦斯绝对涌出量为0.6 m3/min，煤层自燃倾向Ⅲ类，不易自燃，为2#煤层低瓦斯区域。工作面煤层厚度稳定，煤厚1.00～2.40 m，平均1.90 m，煤层倾角1°～7°，平均2°，埋藏深度435～687 m，煤层赋存稳定，具体情况见图1.

2 工 艺

2.1 参数设计

62711工作面轨道顺槽(原皮带顺槽)为矩形巷道，宽4 200 mm，高2 800 mm，掘进断面11.76 m2，原设计采用锚网、锚索联合支护，顶锚杆5根/排，间排距为875 mm×1 000 mm；顶部采用左旋螺纹锚杆(2 000 mm×d20 mm). 锚索采用单根钢绞线(5 300 mm×21.6 mm)，排距为2 000 mm. 顶部采用d6 mm的钢筋网，帮部采用2 000 mm×2 400 mm菱形金属网。两帮各采用3根螺纹钢锚杆(2 000 mm×d20 mm)进行支护，间排距为800 mm×1 000 mm. 原支护设计图见图2，62711工作面轨道顺槽恒阻锚索支护设计图见图3.

图2 原支护设计图

图3 62711工作面轨道顺槽恒阻锚索支护设计图

为防止切顶过程中和采空区顶板周期来压期间留巷段顶板失稳或冒顶，按照中国矿业大学设计，采用恒阻锚索对巷道进行超前支护。恒阻锚索直径为21.6 mm，长度8 300 mm，恒阻值为33 t±2 t，恒阻器直径为68 mm，长度为500 mm. 根据杜儿坪矿以往支护方式、巷道变形情况及支护强度验算，布置3排恒阻锚索，第一列恒阻锚索距留巷帮500 mm，排距1 000 mm；第二列、第三列恒阻锚索分别在原有锚索中间位置隔空布置，其中，第二列恒阻锚索间的排距为2 000 mm，第三列恒阻锚索间的排距为4 000 mm，预紧力28 t.

2.2 顶板预裂切缝爆破设计

根据施工设计，预裂切缝孔深度为6.0 m. 切缝孔布置在巷道采帮与顶板交接位置处，考虑到施工空间限制及顶板岩性，切顶孔与铅锤方向成10°(向采空区方向)，切缝孔直径为48 mm. 由于工作面顶板以砂岩为主，炮孔间距设计为500 mm，每排1个切顶孔。

根据现场多次多种装药观测，最终确认4连孔爆破，每5孔为一组，4连孔装药(炸药规格d35 mm×200 mm/卷)，一孔观测。装药孔每孔装3根聚能管，聚能管外径42 mm，内径36.5 mm，管长1 500 mm，采用3+3+1的装药方式，即第1、第2根聚能管装3卷乳化炸药，第3根裁切至1 m后，装1卷乳化炸药，封孔长度为2 m.

3 应用效果分析

3.1 工作面矿压监测

62711工作面支架共145架，支架型号为ZY5000-12/28. 支架中心距1.5 m，额定工作阻力5 000 kN. 工作面每10架布置一个矿压监测点，共计15个监测点。矿压监测点布设情况见图4.

图4 62711工作面矿压监测点布置图

通过监测数据得到工作面支架压力变化曲线，见图5.由图5分析得到工作面支架压力及来压步距情况，见表1.

由图5和表1可知，与工作面未受切顶影响部分周期来压步距相比，工作面切顶侧周期来压步距较大，周期来压步距的增加表明在切顶爆破的影响下，工作面切顶侧直接顶垮落高度大且块度小(碎胀系数大)，沿空侧采空区充填效果好，形成碎胀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，回转角越小，因此回转变形也较小，导致基本顶不易发生断裂，即断裂步距加大。

3.2 巷道顶底板变形监测

距离62711开切眼100 m范围内，每20 m布置一个测点，以开切眼位置为1#测点，共计6个测点。测点顶底板移近量变化曲线见图6.

图5 工作面支架压力变化曲线图

工作面上部支架工作面中部支架工作面下部支架最大压力/MPa平均压力/MPa平均步距/m最大压力/MPa平均压力/MPa平均步距/m最大压力/MPa平均压力/MPa平均步距/m2816.514.3302112.5352416.7平均压力/MPa20.5平均步距/m14.5

由图6可以看出，6个测点的变化曲线图走势基本吻合，随着工作面的推进，测点的巷道高度发生变化，顶底板移近量在不断增大，当测点距离工作面较远时，巷道高度慢慢稳定，顶底板移近量不再发生变化。现场监测数据显示，当测点滞后工作面10～15 m，巷道高度开始降低，但是变化幅度较小；当测点滞后工作面距离为120～160 m，巷道高度变化趋势明显增大，即顶底板移近量增幅剧烈；当测点滞后工作面250～260 m以外时，巷道高度趋于稳定，此时顶底板移近量几乎不再增加。数据显示，1#—6#测点最大顶底板移近量为0.38～0.44 m.

图6 测点顶底板移近量变化曲线图

4 结 论

1) 切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术在西山煤电集团杜儿坪矿实施以来，回采近1 000 m，留巷段巷道顶板整体向采煤帮倾斜；现场巷道宽度不采帮受力位移量比采煤帮大，留巷段均有不同程度底鼓。

2) 总体来看，留巷效果较好，顶底板移近量最大1.0 m，底鼓量最大0.7 m，均符合设计要求。“切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术”在缓解各矿井衔接紧张和提高资源回收率方面具有很高的社会经济效益。