9#煤层切顶卸压沿空留巷技术研究应用

孙云庆

（晋能控股装备制造有限公司寺河煤矿二号井 山西 晋城 048019）

0 引言

随着切顶卸压沿空留巷技术的发展及成功应用，其在削弱巷道围岩应力集中、降低支护成本、控制围岩变形、提高工作效率等方面均体现出较大的优势，是无煤柱开采技术一个新的发展趋势。针对矿井9#煤层厚度较薄、工作面区段保护煤柱宽，资源回收率低等现象，矿井选取97307回采工作面采用切顶卸压沿空留巷技术进行研究试验。

1 工程概况

97307工作面位于矿井九七盘区，东为97306工作面（已回采）、南为矿界、西为实体煤、北为九七盘区大巷；上部为小煤窑3#煤采空区；下部为我矿15#煤（尚未开采）。工作面设计倾向长度180 m,走向长度1 350 m，可采走向长度1 305 m。煤层倾角2°~13°平均5°，煤1.04 m~1.87 m，平均1.5 m。老顶为细砂岩，厚度为5.3 m；直接顶为粉砂岩，厚度为3.9 m。

该工作面为高瓦斯工作面，无煤与瓦斯突出危险性。工作面巷道布置，采用“一面三巷”布置，“Y”型通风（见图1）。其中，97213巷为胶带运输巷，布置有主运系统；97214巷为辅助运输巷，布置有无极绳运输系统；97215巷为回风巷。在97307回采过程中将对97214巷进行留巷研究试验。97214与97215巷在后续接替回采面中分别将作为97308回采工作面进风辅助巷和回风巷，两巷之间煤柱随回采工作面推进并回收。

图1 97307工作面布置图

2 切顶卸压沿空留巷主要技术方法

（1）爆破切顶卸压

采用精准定向预裂对顶板切缝卸压是沿空留巷重的关键之处。此方法充分利用岩体的抗压强度远大于抗拉强度的强度特征，通过使用聚能管实现了爆破后在两个设定方向上形成聚能流，在工作面回采施工前，利用顶板预裂切缝爆破技术，在回采巷道煤柱侧形成定向预裂缝，切断顶板应力传递路径。

根据苏联学者格·恩·库兹涅佐夫“铰接岩块”假说，通过建立基本顶断裂岩块的拱式平衡模型，对其进行受力分析，得出基本顶形成的条件是：

式中：hi—第i层岩层厚度；

M—采高；

K—岩层碎胀系数。

当下覆岩层整体刚度小于上覆岩层刚度时，上覆岩层岩梁的一端一般要深入下覆岩层断裂，顶板处于垮落带还是裂隙带对留巷矿压显现影响很大，处于垮落带顶板越坚硬留巷要承受的动压越大，需要在适宜的时间，以合适的方式，在顶板关键位置预裂，调整其破断形式，优化其结构状态，加快顶板破断、回转速度，缩短采动应力作用时间，降低支承应力集中程度，实现留巷区域应力场分布的优化见图2。

图2 采空影响区域示意图

97214巷切缝孔距工作面帮500 mm，沿97214顺槽巷顶板平行布置一排，间距500 mm，深度9 m。

（2）巷道补强支护

为了确保沿空留巷期间顶板和巷道完整性，在对沿空留巷巷道对顶板切缝爆破前施工恒阻锚索、采用让压锚索配合单体柱及π型钢梁进行加强支护。第一列补强为恒阻大变形锚索，距留巷帮700 mm，排距1 000 mm；第二列补强锚索为让压锚索，距第一列锚索间距1 500 mm，排距2 000 mm。留巷段补强单体柱为一梁四柱，排距为1 000 mm。单体柱在滞后工作面200 m后开始根据现场情况逐步进行回撤。

图3 巷道补强示意图

根据矿压观测和生产推进情况，留巷段滞后工作面300 m~400 m开始撤柱。撤柱时，第一次撤靠挡矸墙的第四根单体柱，第二次撤靠煤柱侧的第二根单体柱，第三次撤挡矸墙的补强柱，每次撤柱隔一排撤一排柱，两次撤柱时间间隔不小于1天，撤柱时每个测站的单体柱不撤97214巷留巷期间回撤单体柱工作基本顺利完成。

（3）施工挡矸墙

97214巷采用切顶卸压沿空留巷后，采空区采用“木板+风筒布+金属网+混凝土喷浆”进行堵漏。即：从采空区向外采用风筒布、钢筋网、木板、风筒布、金属网加混凝土喷浆和U型钢可伸缩支架进行挡矸和堵漏，混凝土喷浆层厚度不小于100 mm~200 mm。

3 通风系统优化和综合抽放

（1）通风系统优化：97307工作面计划配风量为1 900 m3/min，97213巷配风量为900 m3/min，97214巷配风量为1 000 m3/min，为了发挥“Y”型通风上隅角瓦斯治理优势，降低采空区漏风隐患，回采过程中对97213巷、97214巷风量调平，平衡留巷两侧压差，减少采空区漏风。

（2）97307工作面采用本煤层钻孔、顶板高位走向钻孔、顶板高位倾向钻孔、顶板高位走向长钻孔、采空区埋管等方法进行瓦斯抽采。

本煤层钻孔：在97214巷垂直煤壁施工平行钻孔，从距离切眼10 m处开始至停采线，孔间距5 m，共施工本煤层钻孔246个。

顶板走向高位普通钻孔：在97214巷施工25个钻场，从钻场向工作面上隅角方向打扇形顶板穿层钻孔，分上下两层共14个钻孔，下层钻孔开孔高度1.5 m，上下层间距0.5 m。

采空区埋管：将97215巷D457管，通过横川引出至97214巷埋设在挡矸堵漏墙上，间距为250 m，其次在挡矸堵漏墙上每10 m埋设一趟D100PE管。D450PE管用长×宽×高=1 200×500×2 400 mm的砖墙固定，埋设D457抽放管时工作面需停止生产，将D450PE管用砖墙固定后方可继续生产；D110PE管用铁丝固定在“U”型钢。

在回采过程中，用于高位钻孔抽放的D355管路在钻场停抽放后要及时拆断，并与横川口的D457不锈钢管连接，D355管路每50 m安装一个D355/110五通与D110管路连接抽采采空区瓦斯，防止密闭瓦斯涌出。

顶板倾向高位钻孔：在97215巷南帮距离切眼5 m开始施工倾向顶板高位钻孔至停采线14 m为止，钻孔设计倾角20°，切眼至355 m处开孔间距6 m，从355开始至停采线孔间距为10 m。

顶板走向高位长钻孔：在97214巷口千米钻场向工作面上隅角方向施工顶板走向高位长钻孔，设计钻孔7个，钻孔直径120 mm，设计方位角223°，层位位于走向顶板高位钻孔上方的裂隙带内，为走向顶板高位长钻孔替代普通走向顶板高位钻孔总结经验。

4 采空区自燃发火防治

9#煤层无自燃发火倾向性，属不易自燃煤层。为防止因沿空留巷工作面漏风造成采空区内遗煤自燃，留巷过程中，在喷浆墙体内预埋措施管（兼作抽采管和气体观测管）。管径110 mm，距底板高度1 000 mm，外露200 mm，间隔10 m，端头设置阀门。沿空留巷期间，每周对保持留巷段每50 m的采空区埋管进行一次气样分析；沿空留巷时，做到接顶接底密实，设置消防供水管路和灭火器；每旬在97214巷留巷段测定一次采空区漏风情况。

5 项目实施效果

97307工作面从回采开始到结束，共留巷1290米。留巷段巷道稳定，巷道变形可控，瓦斯治理有效，未出现瓦斯超限，各项主要指标均达到预期效果。97214巷留巷段作为辅助运输巷担负了97308工作面搬家运输任务，97308工作面在回采过程中，97214巷在复用过程中顶板稳定，自成巷挡矸墙有效，工作面瓦斯未发生超限，各项主要指标均达到预期效果，复用效果良好。

（1）巷道整体变形可控

巷道顶底板移近量平均为230 mm，两帮移近量平均为126 mm，顶板离层量为78.9 mm，挡矸墙挡矸有效，挡矸应力监测结果正常，未出现墙体损坏的情况，各项指标均满足设计要求。

（2）97214巷巷道变形大致可分为四个阶段：

第一阶段：超前工作面30 m至滞后工作面20 m范围，由于预裂切缝的作用，工作面开采引起的超前应力表现不明显，顶板下沉速度较慢，一般不超过40 mm。

第二阶段：滞后工作面20 m~100 m范围，此阶段随工作面推进，采空区悬顶距离增加，顶底板移近量变化较大，此阶段顶底板移近量平均为170 mm。

第三阶段：滞后工作面100 m~200 m范围，此阶段已经垮落的矸石对上覆岩层起到一定的支撑作用，但由于矸石尚未完全压实，顶底板移近量仍缓慢增加，平均约为30 mm。

第四阶段：滞后工作200 m之后，此阶段采空区矸石已基本压实，顶板基本稳定，顶底板移近量基本不再变化。

图4 3#测站顶底板移近量

（3）工作面超前范围内，顶板离层较小，在滞后工作面0 m~100 m范围内，离层量增加较快，平均55 mm；在滞后工作面100 m~200 m范围内，顶板活动较为缓和，变化较小，平均20 mm；在滞后工作面200 m后，离层量基本不再增加。

（4）补强支护锚索受力稳定，作用效果明显，恒阻锚索预紧力设计值为250 kN，设计恒阻值为350 kN。超前工作面范围内锚索受力变化不明显；在滞后工作面0 m~80 m范围内，锚索受力增加较快，该阶段锚索受力平均变化量为107 kN；在滞后工作面80 m~130 m范围内，受岩层回转变形影响减弱，锚索受力增速变缓；在滞后工作面130 m后，锚索受力基本趋于稳定，稳定范围为350 kN~370 kN。

（5）恒阻锚索主要对巷帮切顶侧顶板进行控制，让压锚索则在控制巷道整体变形方面起到辅助作用。巷道在滞后工作面20 m~80 m范围内，让压锚索受力显著增加，让压环开始发生变形；让压环变形后，让压锚索整体受力情况得到有效改善，避免了锚索因锚固段受力过大引起的支护失效的情况；巷道在滞后工作面80 m后让压锚索受力趋于稳定。让压锚索在恒阻锚索与煤壁之间起到了有效的控顶作用，对控制巷道整体变形效果明显。

（6）补强支护单体柱压力稳定可控，随着工作面的推进，单体柱压力逐渐增大，在滞后工作面20 m~90 m范围内会达到峰值，平均为28.5 MPa，之后压力下降，滞后工作面150 m后基本稳定，稳定后压力均值为26.3 MPa。单体柱压力变化较为平稳，未出现支柱损坏。根据矿压观测结果，在巷道进入压力稳定区段后，开始逐步回撤补强单体柱，除压力显现明显区段外，逐步将原支护中“一梁四柱”改为“一梁两柱”直至最后撤除全部补强支护。

（7）各项瓦斯治理措施实施有效

通风系统优化及瓦斯抽放效果明显，工作面回采期间未发生瓦斯超限事故。目前97307工作面推进1 200 m，97213巷配风量为900 m3/min，97214巷配风量为1 000 m3/min，97214巷留巷段回风瓦斯0.1%~0.4%之间，挡矸墙内瓦斯2%左右，采空区漏风约60 m3/min；97214巷抽采浓度11%，抽采纯量7.38 m3/min。