薄煤层切顶卸压爆破技术国内外研究现状

杨迎松 刘洪洋 何成亮 成旺 李涛 吴孝红

摘要：在低透气性高瓦斯煤层群开采中，将薄煤层作为保护层进行开采，可实现低透气性高瓦斯煤层群的卸压增透，有利于煤层卸压瓦斯的预先释放，提高高瓦斯煤层群的瓦斯预抽效果，既保证保护层开采安全，也保证被保护层的安全生产。若放弃对薄煤层的开采，浪费了大量宝贵的煤炭资源，使得矿井的采出率低。常规的综采工作面开采需要留设区段煤柱，在区段煤柱下伏的邻近煤层群中将形成应力集中及卸压盲区，增加了下伏邻近煤层群开采的安全隐患，所以有必要对薄煤层保护层无煤柱卸压开采技术进行研究，文章分析了无煤柱沿空留巷和切顶沿空留巷的国内外研究现状。

关键词：高瓦斯;煤层群;沿空留巷;切顶卸压

0引言

我国薄煤层（煤层厚度小于1.3m）资源分布广泛，且煤质较好，在已探明矿区中，全国84.2%的矿区均有薄煤层分布，储量占全国煤炭储量的20%以上，在一些特殊省份的薄煤层比重更大，由于薄煤层开采难度大、投入产出比低等原因，产量只占总产量的10.4%，可见产量远远低于储量所占的比例，并且产量的比重还有下降趋势。随着煤炭资源开采强度的增加，基于煤炭科学开采的理念，为了做好煤炭资源的可持续性发展工作，近年来国家及煤炭企业对薄煤层开采已经逐渐重视。在煤层群中，多數矿区都为薄厚煤层共存煤田，矿井为了追求高产和高利润的目标，优先开采中厚煤层，对薄煤层进行搁置，使薄煤层大量积压未采，甚至有些矿井实施采厚丢薄的开采方式，造成了薄煤层赋存煤炭采出率低的现象，不仅严重浪费了煤炭资源，而且使矿井存在安全生产隐患。

目前，贵州煤矿大多以高瓦斯矿井煤层群开采为主，且高瓦斯矿井占95%以上，其中357多对矿井为煤与瓦斯突出矿井。现有的瓦斯矿井主要特点是开采深度大、瓦斯压力大、瓦斯含量高，具有低透气性、可压密性和易流变性“三性”特征。我国大部分高瓦斯矿区都为低透气煤层，贵州省水城县大河矿井为例，煤层透气性系数仅为0.001～0.008 m2/（MPa2·d），煤层瓦斯不易在采前预抽，但在采掘过程中煤层瓦斯的放散量大、放散速度快，在一定条件下易发生煤与瓦斯突出，且突出规模大，瓦斯涌出或煤与瓦斯突出控制不当将可能导致瓦斯爆炸事故的发生，从而造成更大的灾难。低透气性煤层，致使煤层瓦斯抽采的效果较差。

保护层是指为消除邻近煤层的突出危险而先开采的煤层或岩层。开采保护层是迄今防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的根本措施。我国《煤矿安全规程》规定：“对于有突出危险煤层，应采取开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治措施”。薄煤层作为保护层进行开采能够达到理想的卸压效果，同时薄煤层的开采本身安全性也要高于中厚煤层，在全国治理瓦斯最先进的淮南矿业集团公司于2006年3月决定：“加大薄煤层开采力度，凡是0.8m以上，作为保护层的煤层必须开采”。因此薄煤层作为保护层开采成为治理煤与瓦斯突出等动力灾害的重要手段之一。

在贵州某些矿区进行的无煤柱沿空留巷的实践中发现，采用目前的巷旁砌筑料石或留煤墩的沿空留巷方式已经越来越多出现巷旁媒体及砌筑块体压裂、外鼓等大变形，下帮片帮量大，范围广，底臌严重等严重影响沿空巷道二次复用的非线性大变形现象，目前的巷旁留煤墩及巷旁砌筑料石的沿空留巷方式已经不能满足该水平煤层安全高效、经济开采的需要。因此，提出了薄煤层切顶卸压沿空留巷无煤柱开采及全面卸压技术。该技术能够消除邻近工作面煤体上方应力集中的作用，具有减小采掘比，提高生产效率，减少煤炭资源浪费，避免因留设区段煤柱、煤墩及巷旁砌筑料石而造成的煤与瓦斯混合突出、底臌突出、巷道变形严重、需要二次返修等现象，属于一种安全高效经济科学的开采新技术。

尽管关于该项目技术理论的研究取得了不少研究成果，但这些研究成果都表现为单一进行薄煤层开采、保护层卸压开采、切顶成巷无煤柱沿空留巷技术、瓦斯抽采的研究，而对于高瓦斯突出矿井薄煤层保护层切顶成巷无煤柱开采及全面卸压技术的研究较少，还需深入开展研究工作，并提炼出这一类问题共性的具有较大指导意义的成果，具有重要的理论意义和学术价值，同时具有极其重要的工程应用价值和社会意义。

1沿空留巷国内外研究现状

沿空留巷国内外发展现状自上世纪60年代，沿空留巷技术问世以来，实践证明其可有效避免瓦斯、冲击地压等相关事故的发生。随着浅部煤层的不断开采，浅部煤层的储量已不能满足现在的发展要求，逐渐煤炭资源开采走向深部，不得不面临高地压，高地温的问题，沿空留巷技术难以满足要求。由此，国内外为了沿空留巷能够更好的适应现在的发展，学者们对此作了大量的研究工作。程志恒等对下位沿空留巷围岩应力进行研究分析，得出上位煤层残留煤柱下出现应力增高、上位煤层采空区下出现应力降低的结论，为合理布置沿空留巷提供理论基础，有利于延长沿空留巷在下位煤层中的服务年限。李胜等创新性的将超静定结构和静定结构结合起来对综放工作面沿空留巷支护阻力进行研究，构建巷旁支护阻力力学模型，分别对顶板中有无关键层进行讨论，并推导出相应的切顶阻力计算公式。宁建国等提出了上软下硬的支护体，该支护体在早期表现出可缩性，有效释放顶板压力，而且在该支护体后期还有一定支撑能力。

韩昌良等探讨了砌块式墙体的破坏过程，研究其本构关系，并推导计算砌块式墙体的支护阻力的相关公式，还指出相应的承载力、强度匹配原则以整套的设计流程。殷伟等为预测充填采煤沿空留巷顶板下沉量，基于现实情况，考虑顶板下沉量的意向因素，通过实例验证了其可行性与实用性。武精科等基于深井沿空留巷对顶板变形特征进行探讨，解释顶板破坏原因主要是支护结构强度弱。针对该原因提出具有高预紧力、高强度和高刚度特征的“多支护结构”有效缓解顶板变形，实践中也取得了很好的顶板控制效果，赵一鸣等通过理论分析来确定合理悬臂长度，利用图表直观展现悬臂20m内，充填体载荷呈线性增长，达到20m后，悬臂触底载荷可得到缓解。基于矿压显现特征，提出超前工作面顶板预裂爆破放压与留巷采空区侧切顶卸压结合的围岩优化控制方法，在现场取得了理想的效果。武精科等以实际工作面情况为基础，构建数值模型，并通过数值模拟软件分析围岩变形演化过程，最后提出优化围岩结构的煤帮分段半岩体联合支护、巷旁分区支护和巷内分段辅助支护的支护方案。

2切顶沿空留巷国内外研究现状

以往留巷技术难以确定留巷的稳定性，切顶卸压的出现，通过对工作面前方顶板预裂和对采空区侧切顶来有效控顶，可有效降低留巷的支护要求，且大大提高留巷的服务年限。国内外对切顶卸压技术能适应各类矿井，对切顶相关参数做了大量研究，陈勇等尝试将导向孔（空孔）应用于切顶卸压技术，基于浅孔爆破切顶卸压沿空留巷作用机理，并利用数值模拟软件进行分析，总结了导向孔可以产生更多的自由面，应力集中现象更加明显，扩大裂隙区的范围，从而提高裂隙贯通率和炸药能量利用率，顶板垮落更加简单容易，在实际应用中也达到了预期效果，刘衍利等针对某矿薄煤层沿空留巷巷道变形严重的问题，提出双向聚能护壁爆破的切顶卸压爆破技术，使得更加安全高效的一次成巷。通过实际情况与实验结合来计算确定合理炮孔间距为0.5m，装药量应小于1kg/孔和炮孔深度为4m等相关参数，并指出对应的支护理论。汤建泉等为合理设计哈拉沟煤矿切顶卸压沿空留巷，结合實际情况与数值模拟结果，指出合理切顶高度为6m，合理切顶角度为10°及合理切顶孔间距为0.6m，在实际应用中取得了很好的效果。汤朝均等为解决高瓦斯煤层群中部煤层所面临的问题，指出应用切顶卸压沿空留巷可以对顶板有效放压，且形成“h”型通风系统可有效缓解瓦斯积聚。通过实验模拟确定该地质条件下合力切顶孔间距为0.5m等重要参数。鉴于该矿对通风的要求，提出在支架中部搭设挡风帘来降低漏风率和移架前撒石灰来防灭火的通风管理举措。杨晓杰等为探讨切顶卸压成巷技术在某矿大埋深破碎顶板条件下的可行性，从地质状况入手，估算周期来压的应力峰值，从而确定合理巷内和巷旁支护方案，指出爆破前后顶板都需加强支护来提高其稳定性;工作面推进过程中，留巷内支承压力也在不断地变化，需考虑顶板、挡矸的实际情况来移动加强支护。王建文等将沿空留巷划分为成巷稳定区和动压影响区。利用弹性力学理论与数值模拟，分析破裂发育机理并推导出破裂判据，指出加大临时支护的范围、增大主动支护的强度和优化切顶参数等控制裂隙发育举措。朱珍等从切顶卸压沿空留巷技术工艺来分析碎石巷帮形成过程，针对顶板岩层运动规律指出关键块B最终形成以实煤体和矸石压实结构体支撑的稳定大结构，且将矸石运动过程划分为切顶破断后的快速垮落阶段和垮落完成的缓慢压实阶段。依据围岩变形规律和矸石与支护体相互，提出针对不同煤厚巷帮控制的系统方案。杨军等基于柠条塔煤矿现场顶底板变形监测数据与数值模拟结果的分析，将切顶卸压自成巷围岩应力分布划分为压力变化区（工作面后方90m内，受采动影响大）、越稳区（工作面后方90～170m内，矸石逐渐压实，承载能力不断增大，围岩趋于稳定）和稳定区（工作面后方 170m以外，顶底板与支护系统形成基本稳定区域）郑忠友等论述了采留一体化工艺，依托“砌体梁”结构理论与支护技术等相关理论，与传统的沿空留巷技术作对比，锚体梁支护理论应运而生，有效的提高了围岩的稳定性和完整性，从而减少了支护成本。并进一步讨论了切顶关键参数的确定。何满潮等利用岩石的抗压不抗拉特性，提出一种对顶板定向拉伸爆破技术。孙晓明等研究了利用切顶卸压来控制岩爆的可行性，首先介绍切顶卸压的工艺设计，对工作面布置进行设计优化，在此分析上数值模拟，指出预切顶可有效降低应力集中，明显降低岩爆的可能性。郭志飚等系统的提出了具有吸收顶板能量的支撑系统，为深部开采提供新方法。并利用数值模拟对该方法支撑能力以及对顶板使用条件进行重点研究，随后详细阐述了顶板预裂可切断上腹围岩应力连续的机理，且与以往技术对比分析。指该技术可在深部开采中能很好地推广。

3结论

在低透气性高瓦斯煤层群开采中，将薄煤层作为保护层进行开采，可实现低透气性高瓦斯煤层群的卸压增透，有利于煤层卸压瓦斯的预先释放，提高高瓦斯煤层群的瓦斯预抽效果，既保证保护层开采安全，也保证被保护层的安全生产。若放弃对薄煤层的开采，浪费了大量宝贵的煤炭资源，使得矿井的采出率低。常规的综采工作面开采需要留设区段煤柱，在区段煤柱下伏的邻近煤层群中将形成应力集中及卸压盲区，增加了下伏邻近煤层群开采的安全隐患，所以有必要对薄煤层保护层无煤柱卸压开采技术进行研究，文章分析了无煤柱沿空留巷和切顶沿空留巷的国内外研究现状。

参考文献：

[1][1]何满潮.中国煤矿锚杆支护理论与实践[M].北京：科学出版社，2002，4.

[2]何满潮，高玉兵，杨军，等.无煤柱自成巷聚能切缝技术及其对围岩应力演化的影响研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36（06）：1314-1325.

作者简介：

杨迎松（1999.03-）男，土家族，贵州沿河县人，本科在读，主要从事采矿工程专业方面学习研究

六盘水师范学院大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2021cxcy56）