切顶卸压沿空留巷技术在综采工作面的应用

王瑞飞

（神达能源集团有限公司，山西 忻州 034000）

煤炭是促进我国社会发展的主要能源之一，但随着煤炭资源的日益消耗，许多矿区逐渐出现资源枯竭，对煤炭资源进行合理开发，提高煤炭回收率有助于延长矿井开采年限，并可持续供给国家发展的能源需要。传统的开采方式采用“121”开采方法，即1 个工作面，两条巷道，一个保护煤柱，留设保护煤柱会浪费煤炭资源，导致回收率降低，而且对工作面端头三角区形成安全隐患。何满朝院士提出了“110”工法，一个工作面掘进一条巷道，不留设保护煤柱，提高了资源回收率[1]。神达望田煤业结合地质状况，在11215 工作面引进了“110”工法，实施后取得了良好的经济效果。

1 工程概况

山西忻州神达望田煤业有限公司设计规模为1.20 Mt/a。全矿井分为两个水平开采，分别为主水平、辅助水平。主水平标高+830 m，主要用于开采11#及13#煤层，11215 回采工作面位于二采区下部，西部为井田边界保护煤柱，东部为未开采区域，工作面标高为+718～+735 m，埋深为289～356 m。煤层呈单斜构造，地质条件简单，断裂构造不发育。煤层倾角最小2°，最大5°，平均3°，煤层产状较平缓。煤层厚度1.53～1.61 m，平均1.53 m，煤层顶板为砂岩及泥岩；底板为泥岩，工作面走向长395 m，倾斜长157 m。11215 回采工作面采用“110”工法布置，11215 工作面运输顺槽作为11213 工作面的回风顺槽。11215 进风顺槽为矩形断面，断面规格为宽×高=5 000 mm×2 600 mm，采用锚网索联合支护。

图1 11215 工作面位置

2 切顶卸压留巷技术

在保证工作面正常生产的同时，又要顺利地把11215 进风顺槽保留下来，那就需要防止顶板下沉，巷道围岩能够发挥自身承载能力，从而减少巷道围岩变形。在工作面推进的过程中，留巷必然受到矿压的影响，需要对巷道采取相应的支护措施。为了达到顺利留巷的目的，决定采用顶板预裂爆破技术，在保证顶板完整的前提下，切断顶板应力传递，巷道顶板压力减弱。为保证爆破预裂的顺利进行，对巷道提前进行补强加固，选择利用恒阻大变形锚索对进风顺槽的顶板进行加固[2-3]，并根据工作面的地质情况，结合已有的工程经验，确定了以“切顶卸压+ 恒阻大变形锚索支护”为主的技术方案。

2.1 恒阻大变形锚索设计方案

针对11215 进风顺槽的支护情况，为了能够顺利地切顶，在承受周期来压的同时保持巷道围岩的稳定性，决定在进风顺槽对巷道顶板预裂切顶前进行加固。在原有支护方案的基础上，采用恒阻大变形锚索进行提前加固，锚索垂直于进风顺槽顶板方向布置，共布置2 列；为提高巷道顶板的整体强度，靠近切缝处的锚索每3 根采用W 钢带进行连接，恒阻锚索支护设计方案如图2 所示，W钢带规格如图3 所示。

图2 恒阻锚索支护设计

图3 W 钢带规格

恒阻大变形锚索钢绞线规格为d=21.8 mm，l=7 300 mm，恒阻器l1=500 mm，外径d1=79 mm；托盘规格300 mm×300 mm×16 mm，中间扩孔直径100 mm±1 mm，托盘规格如图4 所示。

图4 恒阻大变形锚索托盘规格

2.2 顶板预裂爆破施工工艺

结合11215 进风顺槽的顶底板情况，顶板预裂采用双向聚能爆破预裂技术，该爆破技术施工工艺简单，是在聚能爆破和定向爆破方法的基础上发展起来的，将炮孔施工在预裂线上，采用双向聚能装置装药，使顶板形成预想破裂面，并能够起到保护顶板的作用[4]。

其中预裂切缝深度（H缝）临界设计公式如下：

式中：ΔH1为顶板下沉量，m；ΔH2为底板底臌量，m；K 为碎胀系数，1.3～1.5。

根据11215 工作面进风顺槽的施工经验及相邻工作面顶板岩石的经验，碎涨系数最终确定K取1.4，在不考虑巷道围岩变形（巷道底板底臌量及顶板下沉）的情况下，取平均采高为1.7 m，最终选择的切缝深度为5 m。预裂切缝的炮孔与顶板垂直方向呈15°夹角，距离工作面煤帮侧为200 mm，孔间距为0.5 m，切缝布置如图5 所示。

图5 切缝布置

图6 炮孔参数试验方案

在顶板预裂正式施工之前，应根据现场情况进行预裂爆破试验，依据爆破结果，最终确定合理的爆破参数及其方式。首先进行单个炮孔的试验，装药结构及药量试验方案如表1 所示，以初步确定合理的装药量和封泥长度。单个炮孔实验成功后，再进行间隔爆破，对装药结构和装药参数进行进一步的优化设计。最终进行一次连续爆破试验如图（6）所示，依据爆破试验结果合理选择一次爆破孔数以及爆破方式等[5]。

表1 爆破试验方案

现场试验时，聚能管安装于爆破孔内，在现场爆破实验过程中，应根据施工情况及时调整装药结构、装药量和爆破孔口封孔长度等参数。

3 效果分析

11215 工作面采用“110 工法”后，减少了保护煤柱的留设，节约了资源。假如保护煤柱为20 m，该工作面共留设395 m，煤层厚度1.53 m，煤体容重为1.4 t/m3计算，不留煤柱可以多回收19 622 t煤炭资源，提高了回收率，延长矿井服务年限，提高资源采出率。同时，采用该工法在减少留设煤柱的工作面少掘一条巷道，有效降低了掘进成本，降低工人的劳动强度，也缩短了工作面采掘接替时间，保证了工作面回采的有序接替。采用顶板预裂爆破后，切断了巷道部分顶板的矿山压力传递，减少了侧向支承压力，减弱顶板周期性压力，保证巷道围岩稳定性，满足了安全生产的需要。

4 结论

1）11215 工作面运输顺槽切顶前的支护参数设计合理，爆破参数设计合理，有利于切顶卸压留巷技术的顺利实施。

2）该工作面采用“110 工法”后，减少了保护煤柱的留设，提高煤炭资源回收率，延长了矿井的服务年限；同时，采用顶板预裂爆破技术，切断了巷道部分顶板的矿山压力传递，减少了侧向支承压力，保证巷道围岩稳定性，满足了安全生产的需要。