切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术的思考

李向阳

(山西西山煤电股份有限公司马兰矿)

沿空留巷无煤柱开采技术要达成的目标：一个工作面，一条巷道，零个煤柱，即所谓的“110工法”，“110工法”是煤炭开采技术的一次重大变革，它颠覆了传统以支护为主体控制围岩的理论体系，通过对巷道顶板关键层的切顶达成卸压的目的，配合以传统的支护理论体系，达成控制工作面采场围岩的目的[1-3]。“110工法”的实施，有效地解决了传统开采方式资源回收率低、工作面衔接紧张、受动压巷道极难维护的技术难题，它通过对矿山压力、顶板岩体构架、巷道已有支护、采场形成的有效空间及岩石碎涨系数的利用，实现了降低巷道顶板周期来压强度、降低采空区瓦斯浓度、降低煤炭自燃概率的效果。

1 对切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术的思考

沿空留巷无煤柱开采技术实施过程中需要解决的关键技术在于“拉得住、切得开、下得来、护得住”(何满潮院士《长壁开采切顶短壁梁理论及其110工法——第三次矿业科学技术变革》)。巷道顶板“拉得住”才能确保工作面向前推进的过程中，巷道形成的已有空间不会受到破坏，为沿空留巷的前提；“切得开”才能保证工作面推进过程中关键层顺利沿巷道欲裂缝切开；“下得来”才能确保来自巷道顶板周期来压形成的应力集中区得以释放，确保巷道顶板载荷在可控区间内；“护得住”才能确保沿空留巷形成的巷道得以重复利用。

1.1 “拉得住”问题的关键技术

对于拉得住的问题，目前国内较为领先的支护技术是恒阻大变形锚索、高强度锚杆锚索支护技术、耦合支护理论。

(1)使用恒阻大变形锚索，允许巷道顶帮存在较大的变形，而工作面支护不失效，确保巷道在受到较大的压力冲击时，支护完好可靠[4-7]。恒阻大变形锚索采用具有特殊结构的恒阻大变形装置，使锚索支护既具有恒阻条件下抵抗变形的能力，又具有抵抗冲击变形能量的功能。沿空留巷时，在巷道回采侧的原支护中间布置恒阻大变形锚索，可使巷道具有接受大变形而不受损毁的能力。

(2)使用高强度锚杆、锚索支护，可使巷道承受较大载荷，尤其对于沿空留巷巷道，在巷道受到较大动压时，高强度锚杆、锚索的支护效果得以极大限度的发挥。

(3)采用耦合支护理论对巷道进行支护设计，巷道的支护强度直接关系到沿空留巷的效果，巷道支护设计时，要采用耦合设计理论，根据巷道围岩性质、巷道受力状况，对巷道两帮及顶板设置更为合理、更为科学的差异性支护形式，需沿空留巷的巷道，应在巷帮破坏侧的顶板、底板采取适当的加强支护措施，比如使用高强度锚杆、锚索，使用恒阻大变形锚索、打注地脚锚杆等。

1.2 “切得开”与“下得来”问题的关键技术

对于“切得开”与“下得来”问题，目前国内较为先进的技术为双向聚能爆破技术、高压水力切顶技术[8-10]。

(1)双向聚能爆破技术是利用预先设置在火药套筒上的2排聚能孔，形成了火药套筒的最初弱面，当火药引爆时，爆破冲击能量首先通过套筒弱面传播，从而达成冲击破定向传播的目的，在装药时，将相邻炮眼火药套筒的聚能孔呈线性排列，可达到连点成线的目的，从而有效地保证了爆破沿既定方向传播的目的，确保了爆破效果。

双向聚能爆破实施过程中，需要通过巷道上覆岩层柱状图来确定顶板关键层的位置，以此为依据设计炮眼深度；炮眼密度可根据关键层岩石硬度决定。合理地炮眼布置、正确地使用火药套筒、科学的装药方式将会对切顶卸压的效果起着关键作用。

(2)水力切顶技术是利用高压水在封闭的孔洞预先弱化顶板岩体，最终实现岩体沿巷道最大轴向应力开裂的目的。使用该方式进行巷道的切顶卸压，需在预先打设布置在巷道关键层的注水孔，并对注水孔进行有效的封闭，然后将高压水源源不断的送入注水孔，直至水压突然降低、巷道顶板岩体破坏为止。高压水破坏巷道岩体时，裂缝方向为巷道主应力方向，由于巷道主应力方向在工程环境下无法准确预判，给切顶过程会带来一定的不确定因素。现场实施过程中，应该合理布置注水孔的密度及深度，注水过程中最好多个注水孔同时注水，以达成裂缝向预定方向延伸的目的。

1.3 “护得住”问题的关键技术

巷道顶板沿预定方向、预定深度成功切开后，只有有效的解决巷旁支护问题，才能确保沿空留巷的最终成果。对于巷旁支护，目前国内较为先进的技术为预制混凝土墙技术、高恒阻支架配合金属网喷混凝土技术、高水材料密闭墙技术。

(1)使用预制混凝土墙进行巷旁支护时，要将预制的混凝土块使用水泥浆构筑成墙，然后使用水泥浆对墙体进行封闭，以达成封闭采空区的目的。预制混凝土墙在实施过程中存在以下弊端：混凝土墙自身可承受的外力较大，但使用混凝土墙时，不能保证混凝土墙及时接顶，从而达不到及时支护的目的；预制混凝土墙的运输工作量极大，影响沿空留巷封闭速度，制约生产；混凝土墙依靠水泥砂浆连接，连接效果差，受压时，极易破坏，从而影响沿空留巷效果。

(2)高恒阻支架配合金属网喷混凝土技术即使用高恒阻支架，在支架的采空区冒落侧，铺设钢筋网，并设置档杆板，待工作面顶板冒落并形成较为稳定结构后，回撤高恒阻支架，并对巷道进行喷混凝土封闭，以达成沿空留巷的目的。

(3)使用高水材料进行巷旁支护时，要在工作面以外的集中巷道设置泵站，然后通过泵站将高水材料源源不断的送入巷道高水模型墙内，以达成巷道支护、封闭采空区的目的。高水材料具有支护阻力大、增阻速度快、适量可缩的特点，在构筑高水材料墙时，可在墙的四周预先设置钢筋网，并使用双向锚杆将钢筋网连城一体，以达成提高高水墙强度的目的。

2 切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术在马兰矿的应用阶段

目前，沿空留巷技术在马兰矿尚未实施，但深孔爆破切顶卸压技术已在马兰矿18301辅运巷、18504切眼初步进行了尝试，但应用效果尚不明显。沿空留巷无煤柱开采技术在马兰矿的展开可以分以下几个阶段进行。

(1)第一阶段：继续进行切顶卸压技术尝试，着力解决马兰矿顺序开采造成的动压显现剧烈问题。

以马兰矿南六采区为例，采区同时回采02#煤、2#煤，属典型的煤层群开采采区，工作面回采顺序多为顺序开采，开采过程中，相邻巷道矿压显现明显，可通过继续尝试使用切顶卸压技术解决巷道矿压显现剧烈状况。尝试时，技术人员需在爆破技术、炮眼参数、关键层确定等方面多加思考，不断优化爆破方法工艺，以达成卸压的目的。

(2)第二阶段：尝试当前国内主动支护新技术，着力解决沿空留巷受动压区段巷道支护问题。在马兰矿受采动影响巷道逐步尝试使用高强度锚杆锚索支护、球形垫片调心锚杆锚索支护、高恒阻大变形锚索支护、注浆锚杆支护等先进的支护理念，尝试使用耦合支护理论设计巷道支护参数，通过对新的巷道支护技术、新的巷道支护理念的逐步尝试，使得马兰矿的支护设计理论体系逐步完善、成熟，并在受动压巷道的应用中取得显著成果。

(3)第三阶段：初步小范围尝试沿空留巷技术，着力解决沿空留巷巷旁支护问题、沿空留巷与采空区密闭问题。在切顶卸压及动压支护问题得到有效解决的条件下，可以在条件较好的巷道小范围尝试沿空留巷技术，在此过程中，需要解决巷旁支护问题、采空区密闭问题、端头支护问题、劳动组织等一系列问题。

(4)第四阶段：展开应用沿空留巷无煤柱开采新技术，在实际使用过程中不断摸索、不断形成一套成熟的技术体系。

前三阶段的尝试取得既定成果后，即可开展切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术的实施尝试，着力攻破各项技术难题。

3 结 语

综上所述，沿空留巷无煤柱开采技术实施过程中需要解决的关键技术在于“拉得住、切得开、下得来、护得住”， 介绍了对切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术在应用过程中的这些关键核心问题的思考。切顶卸压无煤柱沿空留巷开采是一个系统化的开采技术理论体系，目前这套理论体系已在我国多个矿井得以实施，有效提高了煤炭资源回收率，降低生产成本，践行了科技减人的战略。