切顶卸压自动成巷技术在黄陵矿的应用

王怀平

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 黄陵 727307)

0 引言

传统长壁开采“121”工法通常需要在工作面两端提前掘进两条回采巷道，并留设护巷煤柱，造成了巷道掘进工程量大、掘进成本高[1-5]，留设的护巷煤柱也对煤炭资源造成了巨大的损失，同时在煤柱上方往往产生较大应力集中，使巷道变形严重，维护成本高。而传统的浇筑混凝土墙隔绝采空区、支护顶板的沿空留巷技术系统复杂、施工繁琐，影响工作面推进度。切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术(简称“110”工法)是在工作面推过前，提前对计划留巷巷道采用恒阻大变形锚索加固支护[6-9]；在工作面侧施工预裂爆破孔，进行顶板预裂爆破切缝，切断巷道顶板与工作面采空区顶板之间的应力传递。工作面推过后，由于对顶板实施了切缝，增加了采空区侧顶板自由面，支架前移时采空区侧顶板迅速沿切缝面垮落碎胀充填采空区，从而有效支撑上覆岩层顶板，同时，为避免采空区矸石窜入巷道，工作面推过时在端头支架侧面、切缝下方垂直支设一列挡矸支护结构[10-11]。确保留巷的有效利用空间，所成巷道即可作为下一个工作面的巷道使用。切顶卸压自动成巷技术，可取消工作面间煤柱，提高煤炭回收率，且降低巷道掘进率50%。

1 工作面概况

切顶卸压沿空留巷技术在瑞能煤矿117工作面实施，117工作面开采煤层为2#煤层，通过地质资料分析，煤层赋存稳定，煤层埋深120～260 m，煤厚0.8～2.0 m，平均1.49 m，煤层倾角2°～5°，平均3°，煤尘具有爆炸危险性，属自燃煤层，顺槽长度约1 026 m，工作面回采长度为980 m，工作面长151 m。工作面相对瓦斯涌出量为1.86 m3/t，绝对瓦斯涌出量为3.06 m3/min，属低瓦斯矿井。

工作面基本顶以块状灰白色中-细粒岩屑石英砂岩为主，岩性较坚硬，厚层状，不易垮落。厚度3～12 m。单轴抗压强度14.2～68.1 MPa，平均37.7 MPa，天然抗拉强度1.47～6.10 MPa，平均2.82 MPa，属中等稳定-稳定的不易冒落顶板。

直接顶岩性变化较大，以黑色泥岩为主，局部为粉砂岩或细粒砂岩，呈厚层状，有时与煤层直接接触，厚度0.7～20.6 m不等，一般9 m左右，天然容重2.52～2.62 g/cm3，单轴抗压强度10.5～32.6 MPa，天然抗拉强度1.0～2.76 MPa，为不稳定、易冒落顶板。

伪顶主要为薄层状泥质粉砂岩或砂质泥岩，个别钻孔为炭质泥岩，厚度均在0.5 m以下，以其薄层状及随采随落为特征。

底板主要为一套灰色团块状粉砂质泥岩，遇水膨胀，易发生底臌，厚度1～2 m，天然容重2.38～2.72 g/cm3单轴抗压强度9.6～62.9 MPa，天然抗拉强度0.98～4.42 MPa，为松软易变形的不稳定底板。

2 主要技术参数设计

切顶卸压自动成巷的主要工艺包括切顶和支护，切顶工艺主要包括打切缝孔和定向爆破，而决定切缝孔的角度和深度主要影响因素为采高、顶板岩性、碎胀系数等因素；定向爆破主要采用双向爆破管来控制方向。支护又包括永久支护和临时支护，永久支护为恒阻锚索支护，而临时支护为巷旁支护和巷内支护。表1为117工作面切顶卸压自动成巷设计参数。

表1 117工作面切顶卸压自动成巷设计参数

2.1 顶板双向聚能爆破预裂技术

切顶卸压自动成巷无煤柱开采采用双向聚能爆破预裂技术将巷道顶板与采空区顶板预裂切缝，切断二者之间的应力传递。应用时只需要在预裂线上施工炮孔，采用双向聚能装置装药，并使聚能方向对应于岩体预裂方向。爆轰产物将在两个设定方向上形成聚能流，并产生集中张拉应力，使预裂炮孔沿聚能方向贯穿，形成预裂面。

根据工作面数值的分析结果，同时考虑到施工的便捷性，取切顶高度为6.0 m，切缝线与铅垂线夹角10°，切缝孔距离117工作面煤壁为200 mm，同时，考虑到切缝施工的经济性，切缝孔间距初步设计为500 mm。

根据切顶卸压自动成巷工程经验，对于复合顶板，初始装药结构以“3+3+3”为宜，即每个爆破孔内放置3根1.5 m长聚能管，由孔顶向孔底装药量分别为3卷、3卷、3卷，共9卷炸药，封泥长度1.5 m。双向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外径为42 mm，内径为36.5 mm，管长1 500 mm。聚能爆破采用二级煤矿乳化炸药，炸药规格为直径φ32 mm×200 mm/卷。

2.2 恒阻大变形锚索支护设计

为保证切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性，在对巷道顶板进行预裂切顶前采用恒阻大变形锚索加强支护。根据工作面原有支护方式、巷道变形情况及矿压现象，恒阻大变形锚索垂直于顶板方向布置，共布设2列，近实体煤侧排距2 400 mm，距巷中线400 mm；沿空侧排距800 mm，沿空侧恒阻锚索距巷帮500 mm。恒阻大变形锚索直径取为21.8 mm，根据切缝参数，钢绞线长度均取8.3 m，恒阻器长500 mm，外径79 mm，恒阻值为33±2 t，预紧力不小于25 t。

2.3 架后巷道支护设计

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，顶板开始垮落，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。

根据以往现场监测数据，将工作面附近划分为3个区：超前支护区(工作面前方20 m)，留巷加强支护区(架后0～200 m)和留巷稳定区(架后200 m之后)。支护方式如图1所示。

图1 成巷区顶板临时支护及挡矸支护设计图

3 工程实践及应用成果分析

3.1 工程实施情况

该项目通过对瑞能煤矿117工作面薄煤层110工法切顶卸压自动成巷关键参数进行理论分析、数值模拟及现场试验，确定了适合于瑞能煤矿薄煤层切顶卸压自动成巷最优设计及施工参数，针对117工作面设计了薄煤层切顶卸压自动成巷围岩控制体系。117工作面自2017年6月22日开始回采，通过切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术对117轨道巷进行沿空自动成巷，至2018年1月15日工作面已回采结束。目前，瑞能煤业留巷长度已经超过2 000 m，且117留巷作为复用巷道，已经成功服务于115工作面的回采工作，留巷巷道满足生产需求。

3.2 留巷段矿压监测

恒组锚索受力分析：恒组锚索为切顶留巷主要的支护手段，因此测定恒组锚索在留巷段受力变化，能够分析恒组锚索强度及支护参数是否都满足需求。图2为150 m位置恒组锚索受力监测结果，可看出，当工作面推采至距离锚索约25 m时，其受力与变形开始缓慢增大，当工作面推过时，锚索受力与变形迅速增大，当工作面推过锚索断面所在位置约25 m时其受力达到恒阻值，约340 kN，此时锚索变形量约50 mm，但随着工作面向前推进，锚索受力一直处于恒阻值状态，而其变形量仍在以较高速度继续增大，当工作面推过约50 m后其变形速度显著减小，当工作面推过约150 m后趋于稳定。恒阻锚索在变形的过程中，其受力可保持不变，始终维持相对恒定的工作阻力，体现了其吸能让压的特性，通过恒阻让压变形来吸收顶板岩层释放的变形能，而不致使锚索发生断裂破坏，恒阻锚索支护满足安全生产需求。

图2 150 m处型锚索测力仪监测曲线

留巷过程顶板下沉规律：通过对巷道从留巷到稳定过程中巷道变形监测，分析巷道顶板下沉量图3所示，得知工作面留巷顶板整体下沉量小，切缝侧巷道顶板最大下沉量约383 mm，平均下沉量约216 mm，实体煤帮侧最大下沉120 mm，平均下沉73 mm，碎石巷帮无明显侧臌现象，实体煤帮无明显片帮现象，完全满足安全和使用要求，满足设计要求。

图3 巷道顶板下沉变形曲线

3.3 存在问题及对策

110工法实施过程中存在的主要问题为采空区漏风问题，实测工作面下隅角至12#支架之前漏风十分严重，漏风率最高达42%，而工作面中部支架漏风明显较小，说明在工作面下部端头支架与煤壁之间存在较大空隙，即下隅角处密闭性较差，而工作面支架间密闭性较好。同时，说明成巷区碎石帮的空隙为工作面漏风提供了大量漏风通道，致使工作面大量风流经由工作面支架后方流向采空区，并最终由工作面后方成巷区流出。为了确保安全生产，必须采取以下措施降低留巷漏风。

降低漏风通道两端风压：降低留巷内和工作面回风口处的风流压差，通过在工作面回风巷中设置调节风窗，增高回风巷和工作面回风口处气体压力，达到降低留巷内和工作面之间的风流压差，减少采空区漏风量。

隔漏风墙技术措施：在留巷内碎石帮侧进行喷浆、注浆或砌防漏风墙。切顶后形成的巷帮由碎石组成，及时对留巷内碎石帮喷浆处理，喷浆厚度一般不小于100 mm。对于上部切缝处和未完全充实区域实施注浆封堵，对于工作面后方漏风较为严重的区域，因巷帮未完全充填，不能及时喷浆，可通过临时悬挂风障方式封堵通道，待充实后及时喷浆。

3.4 应用成果分析

117工作面留巷顶板整体变形较小，切缝侧巷道顶板最大下沉量约383 mm，平均下沉量约216 mm，实体煤帮侧最大下沉120 mm，平均下沉量约73 mm，碎石巷帮无明显侧臌现象，实体煤帮无明显片帮现象，完全满足安全和使用要求，工作面及成巷区内CH4浓度均为零，CO浓度处于3～7 ppm之间，低于《煤矿安全规程》限定的24 ppm，采空区无自然发火危险。切缝后，采空区顶板沿切缝垮落顺利，采空区垮落矸石充填密实，空区老顶触矸点距离支架后方距离一般为2～3 m。

117工作面实施“110”工法后，留巷人工、材料费用约为2 200元/m，设备及科研投入281万元。可节约巷道掘进费用6 200元/m，多回收煤业4.2万t，取得综合经济效益1 000多万元。

4 结语

切顶卸压沿空自动成巷技术，解放了工作面间的护巷煤柱，提高了采煤工作面资源回收率，减轻了地表不均匀沉陷引起的地表环境损害等灾害问题。变传统“一面两巷”采掘方式为“一面一巷”，利用切落岩体作为巷道一帮，降低了工作面回采巷道的掘进率，无需留设护巷煤柱或充填高强材料支护巷道，造价低廉，操作简单，提高生产效率。因此，全面推广实行切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术，对我国煤矿安全高效生产及可持续发展具有重大意义。