切顶成巷技术在煤矿开采中的价值分析

车德高CHE De-gao；朱长海ZHU Chang-hai；姜晨JIANG Chen

（①黑龙江省应急管理厅，哈尔滨 150000；②七台河岚峰矿业有限公司，七台河 154500；③黑龙江科技大学，哈尔滨 150022）

0 引言

煤炭是我国重要的能源，在我国一次能源储备中占有量接近90%，在一次能源生产和消费中，占有量约为70%[1]。传统的长壁开采需要留设煤柱，不仅会造成资源的大量浪费，且煤柱处会形成应力集中，易导致煤柱破碎，存在安全隐患[2]。2008 年，何满潮院士[3]提出了“切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术”，该技术与传统沿空留巷工艺相比，免除了沿巷充填体的构建需求。通过在巷道顶板上实施定向切缝，使得在工作面开采后，能够引导巷道顶板在预定位置切落，进而通过悬挂防护网和进行封堵，形成了巷道采空区侧巷帮。这一方法使得原先服务于上一工作面的回采巷道，能够继续服务于新的工作区段，从而只需新开挖一条回采巷道即可实现工作面的开采，达到了无煤柱开采的目的。目前，该技术已在国内多个煤矿中推广应用。梁红瑞等[4]介绍了店坪煤矿5-200 工作面的总体情况，借助理论计算、对比分析、工程类比等方法设计切顶卸压详细方案，已在店坪煤矿5-200 采煤工作面推广应用，取得了阶段性的良好效果。郭志飚等[5-6]以嘉阳煤矿3118 薄煤层工作面为工程背景，通过现场工程地质条件分析，建立力学模型，推导切缝角度和高度的理论公式，利用数值计算方法，确定预裂切顶合理参数，并分析作用效果。然而，切顶卸压沿空留巷的设计受到覆岩结构、巷道布置条件等多种因素的影响，是一种涉及复杂动压的巷道设计[7]。在不同的工程地质条件下，巷道设计中合理切顶参数的选取存在明显的差异。因此，对于特定巷道设计，深入研究合理切顶关键参数的选择显得尤为重要。本文以黑龙江鸡西矿业集团有限责任公司下属煤矿为工程背景，采用理论计算、现场调研、工业实践等手段，对切顶自动成巷技术价值进行分析。

1 研究对象概述

本次切顶成巷技术价值的改进对象为黑龙江鸡西矿业集团有限责任公司下属煤矿，该矿的设计生产能力为120 万t/a，核定能力为200 万t/a，其中可采煤层16 层，可采煤层总厚度5.70～15.25m，地表标高在+200～+220m 左右。其中二水平西三54#右三（外）回采工作面位于该矿井西部，埋深759.1～829.7m，煤层厚度2.98m，煤层倾角5～8°，回采工作面平均走向长445m，倾斜长193m，面积53770m2。二水平西三54#右三（外）工作面顶底板特征情况，如表1 所示，采掘平面图如图1 所示。

表1 顶底板特征表

图1 54#右三（外）回采工作面采掘平面图

2 价值工程情报资料的收集与整理

通过实地勘察、历史数据整理等情报资料收集工作得出西三54#右三（外）巷道为梯形巷道，巷道掘宽×中高=4.6m×2.6m，锚杆间排距为1m，锚索间距为2m，2 排锚索支护，锚索长度5.2m，钢带间距为1m，锚杆长度为2.0m；支护示意图见图2。然而，从支护效果来看，该巷道的控制效果并不理想。

图2 54# 右三（外）回采巷道断面

经有用的价值情报分析得出：巷道的掘进宽度和中高比例不适合该地质条件，导致巷道围岩的稳定性不足。锚杆间排距较大，无法及时有效地控制巷道围岩的变形和松动。虽然采用了两排锚索支护，但锚索的间距较大，无法提供足够的支撑力。锚索长度为5.2m，在某些地质条件下不能深入到稳定的岩层，影响支护效果。钢带间距较大，可能无法有效地将锚杆和锚索的支撑力传递到围岩中。无法形成有效的支护体系。

3 沿空留巷围岩控制技术价值功能分析与设计

鉴于上述价值情报，进行沿空留巷围岩控制技术价值分析和初步设计如下：

①突破巷道高度限制：如果巷道的顶部有稳定的岩层，且这些岩层具有一定的承载能力，可以通过切顶成巷来增加巷道的有效高度，从而提高运输和通风的效率，同时也为矿工提供了更大的工作空间。

②有利于资源回收：在某些情况下，巷道顶部的岩层可能含有可采的煤炭资源。通过切顶成巷，可以揭露这些煤炭资源，提高资源回收率。

③把控围岩应力状态：在高地应力条件下，巷道的顶板可能存在较大的变形和破坏风险。通过切顶成巷，可以调整巷道顶部的应力状态，降低顶板事故的风险。

④完善煤矿生产布局：矿井的生产布局可能需要通过切顶成巷来调整，以便于实现更高效的生产流程和煤炭资源的合理分配。

⑤保障煤矿安全：在某些情况下，切顶成巷可能是为了消除巷道顶部的安全隐患，如不稳定岩层的处理或者防止顶板垮塌等。

由此本文提出“切、补、护、支”的切顶成巷的煤矿价值工程改进技术，在设计以“切、补、护、支”为核心的沿空留巷工艺流程时，需要根据各巷道受采动影响剧烈程度、围岩结构等特点进行针对性的设计。以下是设计沿空留巷工艺流程的具体步骤：

①切：切割顶板。

根据巷道顶板的围岩结构特点，采用合适的切割方法对顶板进行切割。切割过程中，要确保切割面的平整度和切割深度，以便为后续的支护工作提供良好的基础。切割方法可以包括爆破切割、机械切割等。

②补：补强支护。

针对切割后的顶板，采用补强支护措施以提高顶板的稳定性和承载能力。补强支护可以包括以下几种方法：锚杆和锚索支护：在切割面周围布置一定数量的锚杆和锚索，通过锚固作用提高顶板的稳定性。注浆加固：对切割后的顶板进行注浆加固，填充围岩裂缝，提高围岩的整体强度。钢带、金属网加固：在顶板表面铺设钢带或金属网，通过摩擦作用增强顶板的整体稳定性。

③护：巷旁支护。

为了防止采空区侧向压力对巷道的影响，需要在巷道侧壁进行巷旁支护。巷旁支护可以采用以下方法：巷旁充填：在巷道侧壁与采空区之间进行充填，形成一道隔离带，以减轻侧向压力对巷道的影响。巷旁锚杆或锚索支护：在巷道侧壁布置一定数量的锚杆或锚索，通过锚固作用提高巷道侧壁的稳定性。

④支：整体支护。

整体支护是为了保证巷道在采动影响下的长期稳定性和安全性。整体支护可以包括以下方法：锚喷支护：在巷道顶板和侧壁进行锚喷支护，形成一层坚固的保护层，提高巷道的整体稳定性。支架支护：在巷道内安装支架，通过支架的支撑作用分担顶板的载荷，提高巷道的稳定性。在实际应用中，需要根据具体的矿井条件和开采要求，结合以上方法，对沿空留巷工艺流程进行针对性的设计和调整。同时，要加强监测工作，及时掌握巷道稳定性和围岩变化情况，确保沿空留巷工艺的顺利进行。

3.1 切顶参数设计

在进行回采工作之前，为了降低回采过程中顶板的运动和巷道的变形，提高煤炭资源的回收率，需要在下巷回采方向左帮进行预裂爆破。预裂爆破是一种常用的矿山技术，通过预先在岩体中形成裂缝，降低岩体的整体强度，从而减小采动影响，控制顶板运动和提高资源回收率，切顶参数如表2 所示。

表2 切顶参数设计

设计预裂爆破方案：根据价值改进对象的地质条件、围岩稳定性、采场尺寸等因素，确定预裂爆破的位置、间距、深度、装药量等参数。钻孔：按照设计方案，使用钻机在左帮原支护钢带外向工作面方向沿走向每隔0.3m 打一个预裂爆破眼。眼深6.0m，孔径φ45mm。装药：将预裂爆破眼清洗干净，然后按照设计装药量每个眼内装入4 个药卷。药卷应沿与铅垂方向15°夹角施工炮眼，以确保爆破能量沿着预裂缝方向传播。连线：将所有预裂爆破眼的药卷用电线连在一起，形成一个电爆网络。爆破：在确保人员安全的情况下，引爆电爆网络，进行预裂爆破。爆破时，应采取适当的安全措施，防止爆破波及工作面和巷道。检查：爆破完成后，对预裂缝的形成情况进行检查，确保预裂缝的质量和分布满足设计要求。如有需要，可以对未达到设计效果的区域进行补孔和补药。支护：预裂爆破完成后，对巷道进行及时支护，以防止因爆破引起的围岩松动和变形。支护可以包括锚杆、锚索、金属网、钢带等。通过以上步骤，形成切顶卸压预裂切缝线，可以有效地减轻采动对顶板的影响，控制顶板的运动，提高巷道的稳定性，为回采工作创造良好的条件。同时，预裂爆破还可以提高煤炭资源的回收率，减少资源浪费。

在本价值工程改进案例中，切顶爆破采用三级煤矿乳化炸药，药卷规格为φ30mm×300mm，如图3 所示。

图3 炮眼装药示意图

具体的切顶爆破装药和封堵步骤如下：装药：首先，将三级煤矿乳化炸药药卷依次顶入炮眼眼底。每炮眼装入一套药卷，确保药卷完全放入炮眼内。雷管放置：在最后一个药卷上，放置1 发雷管。雷管放置位置应适当，以确保爆破效果。封堵：在雷管上方，放置1 节水炮泥。水炮泥的作用是防止爆破时火焰传入炸药，提高爆破安全性能。炮泥封实：将炮泥均匀涂抹在炮眼周围，封堵炮眼。封泥长度不小于2.5m，以确保封堵效果。炮眼封泥长度：炮眼封泥长度应不小于2.5m，以确保炸药完全被封堵。孔口至封泥位置：从孔口至封泥位置，不充填炮泥。这样做是为了便于爆破时火焰传入炸药，提高爆破效果。炮眼装药示意图如图3 所示，展示了炮眼、药卷、雷管、水炮泥和炮泥的布置情况。完成切顶爆破的装药和封堵工作。这样的装药和封堵方法可以有效地控制顶板运动，减轻采动影响，提高资源回收率，并为矿山安全创造良好的条件。同时，采用三级煤矿乳化炸药具有较高的爆破效果和安全性，适用于煤矿井下切顶爆破作业。

3.2 加强支护设计

切顶留巷加强支护是在煤矿开采过程中的一项重要技术，旨在确保巷道的稳定性和工作人员的安全。在留巷前，顶板的支护是关键。在本案例中，顶板在原巷道支护的基础上，由切眼往外逐步进行加强。具体的留巷前顶板加强支护设计方案如下：①确定支护范围：回采时，应在超前工作面100m 的范围内进行顶板加强支护，以确保留巷后的稳定性和安全性。②补打锚索：在确定的支护范围内，沿巷道走向方向垂直巷道，补打配方托盘（0.3m×0.3m×0.02m）的6.2m长φ21.8mm 锚索。锚索是一种高强度的支护材料，可以有效地提高顶板的稳定性和承载能力。③锚索安装：在补打锚索时，应按照设计要求进行安装。将锚索放入预先钻好的孔内，然后用锚固剂将锚索与孔壁粘结牢固。将托盘放置在孔口处，确保托盘与孔壁紧密接触。最后，用螺母将锚索与托盘连接牢固，确保锚索的拉力能够有效地传递到托盘上。④补强支护平面图：补强支护平面图如图4 所示，展示了补打锚索的位置、锚索的布置方式以及托盘的放置位置。

图4 加强支护平面图

4 价值效果评价

4.1 安全价值

图5为切顶成巷的价值效果评价曲线，在巷道处于超前支护影响范围时（即距离工作面30m 范围），随着巷道与工作面之间距离的减小，位移量的增长速率也在逐渐加快。在这个阶段，工作面推进会引起超前应力集中，巷道表面位移增加是对应力集中的响应。

图5 留巷价值效果评价曲线

当巷道进入滞后临时支护区域（即工作面后方0 至60m 的范围内），巷道表面的位移增长趋势变得相对缓慢。这个阶段，切顶成巷起到了很大作用，使工作面推进引起的围岩应力集中得到充分释放、围岩变形得到了控制从而导致位移增长速度的减缓。

最后，当巷道所处的滞后工作面距离超过60m，巷道进入了成巷稳定区域如图6 所示。在这个区域内，顶底板和两帮的位移量都达到了一个相对稳定的状态。顶底板的最大位移量为282mm，而两帮的最大位移量为189mm。通过围岩变形量表明，巷道围岩已经达自稳状态，支护状态良好。进一步验证了该研究的工程策略的科学性和价值性。

图6 切顶留巷效果图

4.2 经济价值

在西三54#右三（外）巷道实施沿空留巷技术后，每米巷道的成本估算为6500 元，而对于整个445m 的巷道，总成本达到了736 万元。这项技术的应用不仅避免了巷道和辅助巷的额外掘进费用，解决采掘接续紧张的问题，还使得西三54#右三（外）工作面的布置时间提前了至少2 个月。以每月产量2.3 万吨计，提前布置将带来额外4.6 万吨的产量。依据2023 年的预算，精煤不含税售价为1500 元/吨，完全成本为300 元/吨，因此，增加的产量将带来5520万元的利润。切顶成巷技术取消保护煤柱的策略使矿井最大限度地释放了优质产能。原煤柱长度为445m，宽度为6m，平均煤厚为2.98m。增加了2.96 万吨的煤炭回收量，从而提高了1241 万元的净利润。综上所述采用新的改进技术创造总经济效益高6761 万元，这表明沿空留巷技术为矿井带来了显著的经济收益。

5 结论

本研究通过深入分析黑龙江龙鸡西矿业集团下属煤矿二水平西三54#右三（外）工作面的地质特征和开采条件，针对性地提出了基于切顶成巷技术的巷道支护方案。经过实践应用和价值评价，不仅验证了该方案在巷道支护方面的有效性，更揭示了其在提升矿井安全生产水平和经济效益方面的巨大潜力。

①在巷道支护效果方面，新方案通过实施“切、补、护、支”的沿空留巷支护理念，有效减少了巷道表面的变形量。爆破预裂钻孔的精准施工、顶板补强支护的稳固布置、巷旁挡矸设施的完善构建以及滞后临时支护的及时跟进，共同确保了巷道的稳定性和安全性。这不仅提高了巷道的使用寿命，降低了巷道维护成本，更为矿工提供了一个更为安全、舒适的工作环境。②在安全生产水平提升方面，新方案的实施显著降低了矿井事故发生的风险。通过优化巷道支护结构，减少了因巷道变形引发的安全事故隐患。同时，新方案还提高了矿井的抗灾能力，为应对突发地质灾害提供了更为可靠的保障。③在经济效益分析方面，新方案带来的收益远超预期。虽然初期投入较高，但长期来看，其降低了巷道维护成本、提高了生产效率、延长了矿井服务年限，为矿井带来了可观的收益。经详细计算，采用该技术可为矿井带来约6761 万元的收益，充分证明了切顶成巷技术在煤矿开采中的重要价值。

综上所述，本研究提出的基于切顶成巷技术的巷道支护方案在黑龙江龙煤鸡西矿业集团下属煤矿的应用中取得了显著成效。它不仅解决了特定地质条件下采掘接替紧张与回采率低下的难题，还为类似条件下的煤矿开采提供了有益的技术参考和经济效益分析。展望未来，随着技术的不断进步和应用的不断深化，切顶成巷技术将在煤矿开采领域发挥更加重要的作用，为煤矿安全生产和经济效益的提升做出更大的贡献。