综采工作面切顶卸压沿空成巷开采技术探讨

马智宇

（晋能控股煤业集团安全管理部，山西 大同 037003）

晋能控股煤业集团王村煤业8120 工作面平均煤层厚度为4.6 m，采用了长壁综合机械化采煤法，煤层的直接顶为细砂岩，平均厚度为3.1 m，顶板岩层的平均弹轴抗压强度为101 MPa，属于坚硬岩层。 以往综采工作面顺槽一般采用双巷布置，需留设护巷煤柱，虽简化了支护作业，但也造成了煤炭回采率低、井下巷道维护成本高等缺点。目前多数煤矿均采用沿空成巷无煤柱开采技术。该技术能够显著地提升煤炭的回采率和经济效益。 但在顶板硬度较大的区域，顶板在垮落时不仅冲击大而且还容易在综采面的两边各形成一个“弧形三角顶板”，造成围岩应力集中，影响巷道的稳定。 针对王村煤业8120 工作面坚硬顶板条件，拟对综采面沿空成巷开采技术应用进行初步探讨。

1 沿空成巷技术

王村煤业8120 工作面采用切顶卸压沿空成巷无煤柱开采技术。 首先在综采面前侧处的预留巷道的采空侧采用锚杆和锚索进行前进支护，然后在巷道顶板的适当区域内设置爆破孔，在爆破孔内设置爆破药，对顶板进行爆破处理，形成一条人工的顶板裂痕，降低采空区顶板和综采面上顶板的连续。 随着综采面的不断推进，悬空的顶板长度不断增加，在采场矿压波动和开采扰动的情况下，顶板从预裂缝处垮落，最终形成沿空巷的巷帮。 然后随着综采面的不断推进，再人工对该垮落的巷帮进行挡矸支护，在巷道内布置挡矸支柱，提高其稳定性。 成巷完成后再对采空区进行密闭，待垮落顶板完全稳定后再对支护单体进行撤回，完成留巷作业。 沿空成巷无煤柱开采技术如图1 所示[1]。

图1 沿空成巷无煤柱开采技术

2 预裂切顶爆破

在井下进行预裂切顶爆破时，需要结合综采面的实际地质条件，以能够将综采面上方顶板完全切断为原则[2]。在进行爆破孔设计时需考虑井下钻孔设备的应用便捷性和灵活性。 根据实际经验，通常情况下可以将井下爆破孔的深度设置为13 m，爆破孔之间的距离设置为1 m，爆破孔的直径为42 mm。 为了提高爆破效果，爆破孔和综采面运输巷呈65°夹角；每个爆破孔内的装药量为2.8 kg，每个药卷的质量为200 g/卷，可根据煤矿井下的实际情况选择炸药安全等级、装药量。

为了确保爆破效果，装药采用PE 管，其规格为φ35 mm×2 000 mm，同时为了布药的便捷性，在管子轴向方向设置了4 组规格为3 mm×300 mm的矩形孔，每个孔之间的距离为200 mm。 在装药时，每个钻孔内设置3 组PE药管，每个药管均采用正向装药结构。 为了保证炸药的起爆可靠性，在第一节PE 管的端部设置成尖的木塞，每个孔内用2组延时雷管和1 组导爆索进行起爆，导爆索在装配时需要插入到最下侧的药卷内，将一个雷管插入到第二节药卷内，将另一个雷管插入到第一节的药卷内，保证起爆的可靠性，该爆破药的装药结构如图2 所示。

封孔时，采用“炮泥+ 水泡泥+ 炮泥”的三重封孔结构[3]，爆破采用电容式起爆器，一次爆破孔的数量控制在4～6 个，以保证爆破的完整性和可靠性。

3 前进支护

为提高切顶成巷的稳定性，需要在综采面进行前进支护。 为确保支护效率和支护稳定性的统一，拟采用高预应力锚索+单体支柱联合支护。 锚索规格采用φ18.9 mm×12 500 mm，布置时可以沿着综采面纵向布置，各个锚索之间的间距设置为1.5 m。 锚索梁采用长度为3.8 m 的U 型梁，每个U 型梁之间的距离为0.7 m，其垫板采用厚度为15 mm 的钢板，钢板规格可以根据井下实际情况确定。 锚固剂选择树脂型锚固剂，锚索的预紧力设置在150～200 kN 之间。 单体液压支架的抬棚选择长度为3 000 mm 的π 型钢梁，然后在其周围设置单体液压支柱辅助支护，单体液压支柱数量不少于3 组[4]。综采面前进支护支架结构如图3 所示。

图3 综采面前进支护结构

4 挡矸支护

在顶板垮落后需要及时对后侧区域进行挡矸支护，为提高稳定性，支护方式采用密集挡矸支护[5]。 挡矸主要以U型钢为基础，挡矸的上扎不应小于90 mm，下扎不应小于200 mm，挡矸之间的距离不应小于400 mm，护网采用金属双层护网，护网之间的搭接采用钢丝捆扎，搭接长度不小于100 mm。

井下支柱抬棚选择和前进支护一样采用钢梁结构，但为了提高支护的稳定性，其周围设置的单体液压支柱的数量不应少于3 组，在固定单体液压支柱时，需要在距离巷道上帮分别为400 mm和700 mm 处各设置一组。

5 应用效果分析

为观测综采面沿空巷道围岩变形情况，拟定在井下8120 工作面5120 巷道顶板和两帮各设置8 组监测点，监测点设置在工作面切眼后侧的巷道内，每个监测点的间隔为110 m，对综采作业不同阶段的位移量进行监测，结果如图3 所示。从监测结果可知，应用沿空成巷技术后，巷道顶板的平均移近量约为236 mm，比优化前的2 017.1 mm 降低了约88.3%；巷道两帮的平均移近量约为344 mm，比优化前的1 433.3 mm 降低了约76.4%；确保了留巷的基本稳定。

图4 巷道围岩变化曲线

6 结论

1）拟应用切顶卸压沿空成巷开采技术消除综采面“弧形三角顶板”威胁。

2）技术特点为：预裂切顶爆破，应将综采面上方顶板完全切断；前进支护采用高预应力锚索+单体支柱联合支护，单体液压支柱的数量不少于3组，以提升前进支护的效率和稳定性；在顶板垮落后需要及时对后侧区域进行挡矸支护，支护方式采用密集挡矸支护，挡矸采用U 型钢，护网采用金属双层护网。

3）应用沿空成巷技术后，巷道顶板的平均下沉量降低88.3%，两帮的平均移近量降低76.4%，确保了留巷的基本稳定。