沿空掘巷切顶卸压技术应用研究

常延岗

（潞安化工集团漳村煤矿，山西 长治 046000）

目前沿空掘巷被广泛应用在回采巷道掘进中，而留设的煤柱宽度直接影响巷道的支护效果。若煤柱过宽，沿空帮将形成一定的承载力，更利于巷道维护，但存在两个突出的问题，一方面对于高突矿井需增加消突工程量，另一方面是造成资源浪费；若小煤柱过窄，巷道受临近已回采工作面支承应力影响较大，且需约半年时间待顶板稳定后方可掘巷，不利于矿井的生产接续。基于此，漳村煤矿为提高资源回采率，减少巷道维护成本，保证矿井接替正常及延长其服务年限，在2502 工作面进风巷实施超前切顶卸压[1-5]沿空掘巷技术。

1 工程概况

漳村煤矿25 采区位于+240 m 水平下部，2504工作面东临25 采区边界煤柱，西临25 采区回风下山，南临2502 工作面采空区，北临2506 工作面。开采煤层为二叠系下统山西组3 号煤，煤质为贫煤。根据工作面回采地质说明书显示，工作面中部发育一背斜构造，两翼岩层坡度为5°～7°，背斜轴部倾向为WN。受背斜构造影响，工作面整体呈现两边低、中间高，平均高差约22 m。2504 工作面进风巷采用矩形断面，断面规格：净宽×净高=5 m×3.2 m；与2502 工作面回风巷留设小煤柱宽度为15 m，断面规格：净宽×净高=5 m×3.5 m。

2 切顶卸压围岩控制原理

设定沿空掘进巷道上覆岩层为A 岩块，相邻工作面上覆岩层为B 岩块。通过在相邻工作面顺槽沿巷道轴向采用爆破预裂措施，随工作面的推进，B岩块沿预裂面垮落下来，则A 岩块与B 岩块断开，失去层间联系，使小煤柱沿空巷道周边围岩应力重新分布，极大地改善了应力环境。爆破切顶后，一方面加快B 岩块沿预裂面切落的速度，采空区顶板提早趋于稳定，减少顶板侧向支承应力对沿空巷道的影响；另一方面促使A、B 岩块断开联系，阻止B 岩块在断开处形成弧形变形区对沿空巷道产生支承压力。因此，通过在相邻工作面顺槽采取切顶卸压措施，沿空巷道所处区域所受顶板应力明显减少，极大降低巷道的支护难度，杜绝出现前掘后修的现象。

3 切顶卸压技术参数

3.1 切顶高度

针对窄煤柱沿空掘巷，其切顶高度计算公式为：

式中：Hm为切顶高度，m；hi为顶板分层厚度，1 m；M为采高，3 m；Kp为垮落矸石碎胀系数，取1.2。

将以上数值代入公式得出：Hm=15 m。结合关键层理论及基本顶厚度，切顶高度选取为20 m。

3.2 切顶角度

采用仿真软件3DEC 模拟切顶角度对顶板破断的位置及切顶区域顶板应力状况的影响，确定最合理的切顶角度，实现基本顶顺利切落、减少顶板支撑应力的目的。结合其他矿井现场施工经验，采用工程类比法，分别对比切顶角度为0°、±5°、±10°、15°时对顶板应力的影响。

顶板在不同切顶角度下的垂直应力曲线如图1。6个切顶角度对应的顶板应力曲线均出现突然下降，证明实施切顶卸压技术使采空区侧顶板顺利切落并切断其与基本顶之间的层间联系，同时较以往自然垮落顶板减少悬臂梁长度，顶板形成弯曲下沉且受垮落岩石的支撑。

对比图1 中6 个切顶角度的垂直应力曲线，垂直应力突然下降的位置即为预裂面的位置。当切顶角度分别为0°、-5°、-10°及15°时，垂直应力突然下降的位置位于小煤柱左侧，靠近2502回风巷。受小煤柱承载影响，未切断顶板岩层之间的层间联系，不利于采空区侧顶板的切落，顶板垂直应力偏高。当切顶角度分别为5°及10°时，二者应力曲线变化相似，但10°时顶板垂直应力为零，证明该角度更利于顶板切落，失去与基本顶之间层间联系；当切顶角度增大至15°时，垂直应力明显较高且起伏变化大，证明随着角度的增大，小煤柱上方形成的悬臂梁增长，导致小煤柱承载一定的应力。最终确定切顶角度为10°，既保证采空区侧顶板岩层顺利切落，又最大限度地减小了顶板垂直应力。

图1 顶板在不同切顶角度下的垂直应力曲线

3.3 预裂爆破参数

（1）炮孔间距。根据工程类比法及深孔预裂爆破现场试验，确定沿巷道轴向炮眼间距为2 m 时顶板易实现连续垮落。

图2 爆破钻孔布置示意图

（2）爆破时机选择。由于爆破作业在2502 风巷进行，且超前于2502 工作面回采，所以必须合理安排爆破时机，既达到切顶效果，又实现工作面正常回采。结合工作面初次及周期来压步距，安排在2502 风巷超前工作面40 m 进行爆破作业，保证工作面推过后，在周期来压的作用下，采空区顶板能够沿预裂面顺利切落。

3.4 超前加固

采用“锚索+托梁”对2502 风巷进行超前加固。顶板补强支护断面图如图3。

图3 顶板补强支护断面图（mm）

（1）锚索规格。在顶板靠煤柱侧500 mm 处沿巷道轴向施工一排补强锚索，间距为1500 mm。锚索采用Ф22 mm×9300 mm 预应力钢绞线，抗拉强度1860 MPa，设计锚固力35 t。托盘采用16 mm厚高强度钢板加工而成，规格300 mm×300 mm。

（2）托梁规格。托梁采用矿用12 号工字钢加工，长度3200 mm，每根托梁上打设3 个Ф25 mm孔，孔间距为1.5 m，配合锚索对顶板进行补强支护，提高护表强度。

4 切顶卸压效果

（1）采用爆破切顶卸压后，安排对顶板预裂位置施工钻孔，之后使用钻孔窥视仪验证切顶卸压效果。爆破切顶卸压效果如图4。由图4 可知，孔壁两侧形成贯通裂缝，其余区域岩石完整性较好，达到定向预裂爆破的目的。

图4 爆破切顶卸压效果图

（2）爆破预裂面位于2502 回风巷顶板上方，采空区侧顶板岩层顺利切落，切顶高度达20 m，小煤柱所受顶板垂直应力为零，切断了其与基本顶之间层间联系，达到了预期目的。

（3）超前工作面40 m 进行爆破作业，随工作面推过爆破区域，在周期来压的作用下，采空区顶板沿预裂面顺利切落，且实现连续垮落。

5 结论

漳村煤矿通过理论分析，确定切顶卸压关键技术参数，合理安排爆破与工作面回采时间，对顺槽采取超前加固措施，成功在2502 风巷实施爆破切顶卸压技术。

（1）通过切断采空区侧顶板与基本顶之间的层间联系，使小煤柱沿空巷道周边围岩应力重新分布，减小其承载的顶板应力，改善围岩应力环境。

（2）极大降低巷道的支护难度，巷道顶底板及两帮位移均明显减小，杜绝前掘后修的现象。巷道每米扩修费用4200 元，施工长度1400 m，共计节约维修费588 万元。