回采工作面切顶卸压无煤柱留巷技术研究

孟光华

（山西汾西正善煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）

沿空留巷技术可以实现无煤柱开采，最大程度提高开采率，缓解采掘接替紧张局面，在突出矿井以及深部开采矿井中应用具有显著优势[1-3]。近些年来，切顶卸压留巷技术凭借围岩控制效果显著，成巷效果好等优点，在煤矿井下应用日益广泛[4-7]。文中以6301巷留巷为工程背景，对切顶卸压留巷技术展开研究，以期为其他矿井留巷工作开展提供借鉴。

1 工程概况

山西某矿6301综采工作面开采3号煤，厚度6.0 m，埋深480 m，煤层原始瓦斯含量为10.6 m3/t，属于突出矿井，矿井采用大采高综采工艺开采6号煤。6301综采工作面走向长1466.9 m、倾斜长296.3 m，回采巷道布置采用“三进两回”方式，受瓦斯治理影响，巷道掘进效率低。为了降低巷道掘进工程量并增加采面煤炭回收率，矿井提出采用切顶卸压留巷方式保留6301巷为临近的6303采面回采服务，留巷段长度共计600 m。

6301综采工作面开采的3号煤层总体处于背斜构造，两翼倾角变化范围为0°～10°，平均5°，根据三维地震资料显示，地质构造较简单。煤层顶底板岩性以砂岩、泥岩为主，具体顶板岩性见图1所示。

图1 3号煤顶板岩层柱状图

2 切顶卸压技术方案

在留巷前即采用高强恒阻锚索对顶板强化支护，超前回采工作面30 m即采用深孔松动爆破方式进行切顶，以便3号煤基本顶可沿着切顶线垮落；采面推进后，工字钢、单体、U型钢等对组合对顶板、巷帮围岩进行控制。

2.1 超前支护

采用恒阻锚索对留巷巷道进行支护，根据6301综采工作面顶板岩层岩性，布置的恒阻锚索长度为16.8 m，锚固端在顶板稳定的粉砂岩、细粒砂岩层中，该层岩层赋存稳定。具体在6301巷顶板布置两排恒阻锚索，锚索间排距分别为1000 mm×2000 mm，其中最外侧锚索与采空区帮煤壁间距500 mm，并采用W钢带将不同锚索连接起来，提高顶板岩层围岩控制能力。

2.2 中深孔切顶爆破工艺

2.2.1 爆破孔开孔位置及倾角

结合6301工作面设备布置情况及履带式专用钻机设备等情况，确定爆破钻孔与煤柱帮距离S=200 mm。结合6301工作面顶板基本顶厚度及专用钻机的施工情况，确定钻孔倾角β向工作面后方倾斜，α=0°，β=75°。为了提高卸压效果，每两个爆破钻孔间增加一个空孔，增加了爆破的自由面，以提高爆破的效果。

2.2.2 切顶高度及钻孔深度

2.2.2.1 切顶高度H0

根据3号煤层顶板岩层柱状图（见图2），6301巷断面为5.0 m×3.8 m均沿底板掘进，直接顶为3号煤顶煤、厚度h1=2.2 m，基本顶为砂岩层、厚度h2=16.24 m。切顶高度以切断3号煤层基本顶为宜，从而使得基本顶可沿切顶线垮落，因此确定切顶高度H0=h1+h2=18.44 m。

图2 爆破孔倾角β示意图

2.2.2.2 钻孔深度H

切顶卸压时以切断巷道顶板基本顶应力传递路径为目标，具体钻孔深度H可通过如下公式计算：

式中：H0为切顶高度，H0=18.44 m；α为爆破切顶钻孔与竖直方向的夹角，α=0°；β为爆破切顶钻孔与水平方向的夹角，β=75°。

经计算求得：H=18.59 m。

2.2.3 爆破孔布置参数

根据矿井井下钻机、钻杆、钻头等设备，结合工作面顶板岩性、钻孔施工要求等，确定该爆破孔孔径为75 mm，钻孔间距L=2 m。具体爆破孔布置参数见表1。

表1 爆破钻孔参数表

2.2.4 装药结构

松动爆破卸压采用不耦合连续装药方式，为了降低引爆雷管使用量并提升松动爆破安全性，爆破孔采用双导爆索、双雷管方式，。具体爆破孔装药结构见图3。

图3 钻孔装药结构

松动爆破选用矿用三级乳化炸药，质量m=0.8 kg、长l=500 mm、直径Φ=45 mm，不耦合系数K=1.67。装药段长度L装=12 m，装药量为24卷/孔，单孔装药量Q=19.2 kg。封孔段长度L封=4.5 m，高水材料2.5 m、炮泥段3.0 m。

2.3 采面后方补强支护

在采面后方采用π型钢梁、单体支柱按照一梁三柱方式构成迈步式抬棚对顶板进行支护。在靠近采空区帮采用U型钢、单体密集布置构成挡矸支柱避免采空区内冒落矸石进入到留巷巷道内。在档杆支柱旁布置风筒布降低留巷段漏风量。

3 留巷效果分析

在63011巷采用切顶卸压留巷技术后，为了检验留巷效果，在留巷段内间隔200 m布置2个测站对巷道围岩变形情况进行监测，测站监测结果见下页表2所示。

表2 围岩变形监测结果 mm

从变形监测结果得知，在监测的1个月时间内，留巷段顶底板、巷帮累积变形量值分别为47 mm、23 mm，围岩变形量处于高阻锚索变形范围内，变形量值较低。由此得知，在6301巷取的以切顶卸压并结合高阻锚索、单体补强支护的留巷技术可满足留巷段围岩控制需要，效果显著。

4 结论

1）将切顶爆破卸压技术应用到大采高工作面沿空留巷中，并根据6301巷顶板岩层条件具体设计了切顶卸压爆破孔布置参数以及装药结构。

2）为确保切顶卸压安全进行，在切顶卸压爆破孔施工前即采用高强恒阻锚索对巷道顶板补强；在切顶卸压后采用单体结合工字钢（π型钢）对顶板进行支护，避免顶板出现较大下沉；在采面后方通过U型钢、单体密集布置挡矸支柱，避免采空区内冒落矸石进入到留巷段内。

3）现场应用后，留巷段顶底板、巷帮在1个月内累计变形量分别为47 mm、23 mm，围岩变形量较小，表明文中所提切顶卸压留巷技术可满足留巷需要。