综放工作面切顶卸压沿空留巷开采技术应用

张国辉，邢 永

（陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

近年来，煤炭行业结构调整，矿井开挖越来越深，过程中留设的煤柱难以回收，造成了煤炭资源的大量浪费，且常发生应力集中现象，不利于巷道围岩控制，也不利于开采的顺利进行，而沿空留巷技术是解决上述问题的关键手段。常传强等为了减少巷道的掘进量，提高煤炭开采率，在新汶矿业集团实现了1条巷道2个工作面共同使用，可对先采工作面上平巷沿空留巷巷帮进行充填，实现了后采工作面继续应用此巷道；蔡德宝、曾朝臣在永煤集团城郊煤矿完成了复杂条件下综采工作面长距离沿空留巷技术，城郊煤矿工作面推进困难，技术改造后采用长距离沿空留巷技术，成功甩掉了构造带，做到了边生产边改造，取得了良好的经济效益。

但是传统的沿空留巷方式充填体极易发生应力集中，留巷支护成本提高，不符合矿山经济效益，在此基础上，何满潮院士提出了切顶卸压沿空留巷技术，并研发了恒阻大变形锚杆和定向预裂爆破技术，该技术无需预留煤柱，很好的解决了以往沿空留巷存在的应力集中问题[1]。本文以曹家滩煤矿122109工作面为工程背景，对切顶卸压沿空留巷开采技术进行应用研究。

1 工程概况

曹家滩煤矿122109工作面是该矿首个综采放顶煤工作面，位于12盘区2-2煤开拓大巷的西侧，开采煤层2-2煤。工作面范围：南、北侧为未开采的实体煤，开切眼位于井田西部边界，顺槽开口位于12盘区大巷保护煤柱内。工作面面长260 m，推进长度约6 004 m，开采面积约1.56 km2，储量约2431.48万t。

工作面煤层赋存条件简单，可采2-2煤,煤种为不粘煤，煤层厚11.55～12.03 m，平均厚11.8 m，煤层倾角0°～4°。工作面范围内煤层底板标高为+959.81～+972 m之间，煤层埋藏深度为294.5～341 m之间，平均埋深318 m左右。为了解决该矿巷道掘进工程量大以及工作面采出率低等问题，采用沿空留巷的方法，将122109工作面运输巷保留下来，作为下一工作面的回风巷，其平面布置见图1。

图1 工作面平面置示意图

工作面外回风顺槽沿2-2煤层底板掘进，留设500 mm底煤，采用矩形断面，断面净宽5 500 mm，净高4 200 mm，净断面积23.1 m2，锚网支护，顶部加锚索。

122109综采放顶煤工作面巷道布置4条，即1条主运顺槽、1条辅运顺槽和2条回风顺槽。其中主运顺槽和辅运顺槽平行布置于工作面一侧，2条回风顺槽（内回风顺槽、外回风顺槽）平行布置于另一侧，工作面两侧外顺槽将作为下一个工作面的顺槽使用。

主运顺槽内装备可伸缩胶带输送机运输煤炭，敷设有排水、压风、消防洒水管路、照明、通讯及信号电缆，兼作进风和工作面人员行进的通道。

辅运顺槽为工作面的进风巷，敷设有排水、消防洒水管路、压风、注氮、通讯、照明及电缆，作为工作面材料和设备的运输通道，同时作为工作面进风和工作面人员行进的通道。

内回风顺槽为工作面的回风巷，敷设排水、压风、消防洒水管路、通讯及信号电缆，兼作工作面人员行进的通道。

外回风顺槽为工作面的回风巷，敷设排水、压风、黄泥灌浆、消防洒水管路、通讯及信号电缆，兼作工作面人员行进的通道。

2 现场实施方案

2.1 巷道围岩结构分析

沿空留巷技术虽然能提高煤炭回采率，减小巷道开掘量，但是采用该技术会导致巷道围岩应力增加，从而使变形量增加，因此，保持围岩的稳定性是沿空留巷能否成功的关键所在。必须对巷道的围岩结构进行分析，巷道的围岩稳定性取决于多种因素，需要了解煤层的顶底板岩性情况，122109综放工作面开采煤层情况见表1。可以发现顶板岩性强度较高，夹层较少，这有利于对顶板的支护[2]。

从表1可以发现，顶板位置的基本顶和老顶多为细粒砂岩和粉砂岩，这种岩性强度较高，夹层较少，且直接顶厚度位于1.98～7.65 m，厚度较厚，基本顶厚度在1.38～10.3 m之间，顶板整体比较稳定，这有利于对顶板的支护，所以可以采用沿空留巷技术。

表1 工作面煤层赋存特性表

周期来压是导致围岩破坏的重要因素，由于厚层顶板难以垮落，采煤工作面周期来压步距大，矿压显现剧烈。工作面初次来压是煤层采出后，基本顶失去稳定，基本顶第一次破坏形成的压力，周期来压是基本顶周期性破坏形成的压力。未进行开采活动时，巷道顶板完整，为固支梁结构，当开采活动开始后，巷道基本顶受采动应力和重力影响，弯矩变大，顶板下层，继续开采，顶板出现断裂，出现基本顶C，此时基本顶A和B为一个整体，还未破断，如图2所示。随着开采的持续进行，采空区上部受开采影响范围增大时，在没有支撑的情况下，上部发生大的下沉，但煤柱测上部覆岩由于有部分支撑而下沉较小，覆岩两边受力不稳定而发生破断，形成基本顶B，由于基本顶B不稳定，容易出现两帮收缩等问题，不利于开采的正常进行，并且基本顶B的出现会导致巷道附近顶板失去稳定，巷道将出现大的破坏，严重情况下会导致矿井不能正常生产，因此沿空留巷能否成功的关键所在，在于基本顶B是否形成，以及巷道顶板是否能形成短支梁结构[3]。

图2 顶板结构破坏图

2.2 切顶卸压沿空留巷技术应用

根据巷道围岩结构分析，岩空留巷能否成功的关键所在，在于基本顶B能否形成，巷道顶板能否形成短支梁结构。在煤炭深度较大进行开采时，由于围岩本身就处于高应力状态，在加上煤炭开采时产生的采动影响，使得巷道围岩应力比原岩应力要大许多，从而致使矿压显现剧烈，如何保持巷道围岩的长期稳定，是沿空留巷需要解决的问题之一。在此基础上，中国矿业大学（北京）何满潮院士提出了切顶卸压留巷技术。切顶卸压岩空留巷技术的原理和主要技术环节为[4]：

1）综采工作面开采前，应在靠近采场的巷道顶板上钻爆孔，掩埋炸药。炸药起爆后，顶板会产生定向裂缝，削弱巷道与采空区上方下关键层的机械连接，避免破坏。综采工作面开采后，巷道上方会出现短壁梁结构。此时，应采取加强措施，提高强度、稳定性和承载能力。

2）爆破后，加强附近巷道的支撑，起到固边固顶的作用。

3）综采工作面开采后，在切缝沿线安装可伸缩工字钢、金属网、防风布等挡尾设备。预留巷道段采用单柱吊棚临时顶板支撑。采空区上方岩层及时坍塌，形成采空区墙，防止采空区内的煤矸石进入预留巷道。

4）采空区煤矸石崩塌压实后，预留巷道段围岩结构逐渐稳定。此时，暂时的支持可以逐步取消。为了阻断预留巷道与采空区段之间的空气循环，应对采空区边壁进行喷浆处理，以完成沿空留巷。流程如图3所示。

图3 切顶卸压沿空留巷工艺流程

采用切顶卸压沿空留巷技术时，要求所留巷道顶板有一定的变形量，但是仍要有足够的强度，这样才能保证在采空区塌落时巷道的稳定与安全，一般的锚杆满足不了这种要求，122109工作面采用何满潮院士研发的恒阻大变形锚杆，这种锚杆具有负泊松比效应，可实现恒定阻力下的大张拉变形，有效减少顶板沉陷，满足沿空切顶卸压和留巷要求，而且恒阻大变形锚杆价格实惠，符合经济效益。沿空留巷的另一项关键技术是定向预裂爆破技术。定向预裂爆破技术就是通过一些方法使爆炸产生的冲击应力沿径向方向扩散，并且持续扩展，形成预期的断裂面，断裂面可以切断巷道与上部围岩的联系，这样上部围岩产生的应力就不会影响巷道，使留巷段围岩应力环境得到改善，确保留设巷道的稳定性[5-7]。

2.3 切顶卸压沿空留巷顶板控制

正常情况下，应及时用机器移动车架来支撑屋面。采煤机割煤后，先移动机架，再移动输送机。采煤机的正常车架运动应落后于采煤机后滚筒3～5个车架。屋面破损时，应跟随前轮提前移动车架或手动移动车架，即发现墙体严重、端面距离超标时，提前移动车架，再进行其他作业。该过程是框架移动→采煤→放顶煤→移动前部输送机→移动后部输送机，框架移动步长为865 mm。

2.3.1 初次来压的顶板管理

1）初次来压前，工作面做好压力监测预报，及时支护。采煤机割煤后，及时移架，使支架初撑力达标。

2）根据工作面的地质条件、煤层赋存条件及顶板的岩性，根据需要编制强制放顶专项措施，并严格按照作业规程操作，防止工作面老顶初次来压对支架造成破坏，影响工作面正常回采。

3）依据煤矿顶板动态在线监测情况，掌握工作面来压规律，并随时观测工作面支架压力变化情况，当工作面支架来压，信号明显时，立即汇报当班跟班人员，做好老顶初次来压期间工作面的顶板管理，并按计划正常进行推采。

4）回采过程中，要随时监测和掌握工作面支架的压力情况，直至工作面老顶初次来压结束，进入正常回采阶段。认真记录初次来压期间每班矿压显现情况，每班结束形成由工作面推进位置采高情况、煤壁片帮情况、架后悬顶情况、煤炮情况、预计老顶初次来压距离等详细数据的观测报表，并向矿相关科室、领导每班汇报。

2.3.2 初次来压过后及周期来压期间的顶板管理

1）初次来压过后进行现场调查研究，安全无隐患后工作面进行正常回采。

2）周期来压期间工作面移架要及时，液压支架必须达到初撑力，及时支护顶板，护好煤帮，防止片帮伤人。

3）在来压期间，回采时要保证液压支架的支护状态良好，接顶严密，初撑力不低于泵站出口压力值的80%，采用邻架操作及时移架，紧跟前滚筒移架，以利于顶板维护。

2.3.3末采及回撤期间顶板管理

1）工作面与主回撤通道贯通前20 m，要对回撤通道内的支护状况进行检查，并对通道内所设观测点进行测量，对比回撤通道的下沉量，确保所有支护设施良好。

2）工作面距主回撤通道15 m时，工作面生产期间人员禁止进入回撤通道内；工作面检修期间，除巡检支护人员外其他人员禁止进入回撤通道内。

3）③工作面推至停采线前，若煤壁与停采线不能互相平行，应提前将工作面调正。

4）④工作面推至停采线时，将支护空间缩小至最小控顶距，清扫浮煤，加固工作面支护，清理上下出口，保持完好畅通。

5）工作面停采时编制停采措施，加强顶板管理。

3 沿空留巷效果分析

为了分析122109运输巷沿空留巷围岩控制效果，对试验段巷道顶板离层和围岩变化量进行监测。顶板离层监测仪安设在巷道的中部或交岔点的中心位置，掘进巷道每100 m安装1台顶板离层监测仪。掘进时，在巷道交岔口、地质构造前后、顶板破碎段等处要安装顶板离层监测仪，并加强监测。掘进巷道的顶板离层监测仪，新安装的顶板离层仪应每天观察1次。该离层仪的浅基点和深基点分别距巷道顶板表面2.6 m和7.7 m。现场观测表明，留巷期间，工作面前方巷道顶板基本不存在隔层，留巷后各监测点隔水值变化总体较小。选择典型分离监测点记录的分离值进行分析，其中深基点的分离层显示为0，浅基点的变化如图4所示。

图4 留巷期间工作面后方巷道顶板离层变化特征

1）随着工作面的开采，顶板离层大小呈现阶跃变化过程。随着监测点到工作面距离的增加，顶板离散量也随之增大。

2）工作面后30 m内顶板离层变化明显，37 m后顶板离层变化不大。

3）在监测滞后工作面60 m范围内，预留巷道顶板距最大值为15.5 mm，最小值为5 mm。总体控制比较好。

4 结论

1）通过对巷道围岩结构特征的分析，认为可行的爆破技术和有效的巷道支护是保证巷道保留效果的关键。通过定向爆破，减小了沿空留巷顶板悬臂结构面积，使其上方的关键岩石断裂位置向采空区侧移动，切削出的煤矸石充填采空区，提高了留巷围岩的应力，并利用该护巷结构在采空区侧形成了新的巷道边壁。

2）曹家滩煤矿122109综放工作面采用切顶卸压沿空留巷技术后，通过顶板离层监测仪发现，运输巷沿空留巷围岩控制整体效果良好，有力的缓解了矿井掘进衔接的矛盾，减少了巷道采掘量。