切頂卸壓技術(shù)在岳城煤礦1309工作面的應(yīng)用

劉 偉

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

切頂卸壓留巷技術(shù)是一種新型巷道布置技術(shù)，核心是通過水力壓裂或定向爆破等方式，對采空區(qū)一側(cè)頂板進行人工致裂，將頂板圍巖應(yīng)力的傳播通道切斷，有效降低巷道及工作面頂板應(yīng)力，并通過補強頂板、臨時支護和擋矸支護的共同作用下實現(xiàn)無煤柱開采，達到提高巷道掘進效率、降低開采成本、提高煤炭回收率的目的。目前該技術(shù)已在中厚以下煤層礦井得到成功應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，切頂卸壓能使掘進效率提高25%～35%，使工作面回采率提高15%～30%[1]。該項技術(shù)對提高礦井資源回采率、實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)尤為重要。

1 概況

1309工作面是岳城礦東翼最后一個采面，所采煤層為3#煤，北為東翼主要大巷，西為Ⅲ3308（下）工作面（已回采），東、南均為礦界。煤層底板標高為376.5～408.8m，煤層平均厚度6.26m，采煤厚度為2.9～3.1m，煤層傾角為1～4°，平均3°。13091巷為該面進風順槽切頂巷道，鎖口段斷面為6.1×2.4m，順槽段為4.4×2.4m。根據(jù)巷道設(shè)計要求，巷道保護煤柱寬度一般為30m，造成了大量的煤炭資源損失，且1309面作為最后一采面，頂板所受到的集中應(yīng)力最大，對尾巷支護和采空區(qū)瓦斯治理都會造成很大威脅。因此非常有必要在13091巷試驗應(yīng)用切頂卸壓留巷技術(shù)，確保工作面安全高效回采。

2 研究內(nèi)容

切頂卸壓技術(shù)原理對比如圖1所示。

由圖1可知，未采用切頂卸壓的巷道會受到來自采空區(qū)側(cè)的橫向推力（F推）、煤柱對上部圍巖的縱向擺力F轉(zhuǎn)及自重FG三個力的綜合作用，是造成巷道推移變形的主要原因[2]。而切頂卸壓則直接將采空區(qū)側(cè)頂板直接縱向切斷，使采空區(qū)老巷頂板整體垮落，只需對頂板圍巖自身重量進行支護，巷道維護難度大大降低。

圖1 切頂卸壓技術(shù)對比圖

對1309工作面采用切頂卸壓和恒阻大變形錨索補強相結(jié)合，對開采煤層圍巖進行地質(zhì)力學特征分析，得出理論研究切頂高度、切頂角度、炮孔間距等預(yù)裂參數(shù)，分析現(xiàn)有支護情況下巷道圍巖的變形特征，研究該種頂板條件下的支護機理，確定切頂卸壓沿空留巷超前加固支護參數(shù)及配套技術(shù)，分析工作面后方礦山壓力動壓影響區(qū)范圍，確定滯后臨時支護參數(shù)和恒阻錨索規(guī)格。

3 實施方案

3.1 巷道補強加固

在頂板預(yù)裂前，首先使用恒阻錨索、讓壓錨索及W鋼帶對13091巷頂板進行補強加固。結(jié)合13091巷地質(zhì)條件，補強錨索長度暫定為9300mm，直徑21.8mm。錨索加固分為兩個區(qū)域，第一個區(qū)域為沿空留巷起始位置的鎖口加固區(qū)域(①～②段)，第二個區(qū)域為沿空留巷中間段加固區(qū)域(②～③段)。如圖2所示。

圖2 13091巷補強加固示意圖

沿空留巷起始位置的鎖口加固：在沿空留巷的起始位置①～②段，打設(shè)密集錨索進行巷道鎖口加固和補強支護，如圖3所示。

圖3 鎖口段補強支護斷面圖

對①～②段鎖口補強支護采用7.3m的恒阻錨索，每排4根，間距1m，排距1m。頂板區(qū)域采用讓壓錨索與W鋼帶相連接，暫定讓壓值為30±2t，預(yù)緊力不小于25t。

沿空留巷正常段加固：在沿空留巷的②～③段打設(shè)恒阻大變形錨索(和常規(guī)錨索)加固，如圖4所示。

圖4 正常段補強支護斷面圖

在頂板共打設(shè)2列錨索，鋼絞線采用Ф21.8×9300mm。第一列采用恒阻錨索補強，距留巷幫700mm，排距1m；第二列采用讓壓錨索補強，與第一列間距1.5m，排距2m；錨索垂直于頂板方向布置，讓壓值為30±2t，預(yù)緊力不小于25t。

3.2 定向預(yù)裂切縫

（1）鉆孔角度。根據(jù)采高的不同，頂板定向預(yù)裂鉆孔角度結(jié)合頂板巖石力學參數(shù)、工作面頂板垮落情況、煤層傾角等因素綜合確定，選擇切縫角度為15°，方向為鉛垂方向，傾向采空區(qū)側(cè)。

（2）鉆孔深度。結(jié)合預(yù)裂切縫深度(H縫)臨界設(shè)計公式[3]，初步分析頂板巖層分布狀況及關(guān)鍵層位等現(xiàn)場實際，將切頂深度(斜長)暫定為16m。

（3）鉆孔間距。13091巷頂板為砂巖，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗，為保證最終的切縫效果，炮孔間距采用500mm、600mm、700mm三種方案試驗。最終通過現(xiàn)場鉆孔預(yù)裂爆破的窺視效果，確定最佳的鉆孔間距。本方案參數(shù)暫按500mm間距來計算。

（4）切縫孔布置。設(shè)計切縫孔距工作面幫200mm，沿13091巷頂板平行布置一排，間距暫定500mm，切縫孔直徑Φ45mm，深度8m。

3.3 定向預(yù)裂爆破

根據(jù)13091巷頂?shù)装鍑鷰r條件，直接頂與基本頂距離為13.3m，爆破孔深12m左右，炮眼之間間隔0.8m，每孔裝藥20卷，使用兩枚電雷管（單電雷管阻值≤0.1Ω），使用雙縫定向預(yù)裂管進行裝藥，如圖5所示。

圖5 爆破預(yù)裂裝藥示意圖

3.4 臨時加強支護

對工作面支架進行臨時加強支護，超前切頂區(qū)位于超前支護區(qū)之前，在這個區(qū)域內(nèi)主要進行超前預(yù)裂切縫及頂板補強支護。超前預(yù)裂爆破及頂板補強支護應(yīng)在超前支護區(qū)隨工作面推進過來之前完成，切縫位置應(yīng)超前工作面30m。成巷穩(wěn)定區(qū)位于之后滯后臨時支護區(qū)之后，工作面附近的頂板運動對巷道產(chǎn)生較小的影響，且采空區(qū)內(nèi)頂板巖層運動基本趨于穩(wěn)定，此時回撤滯后臨時支護，只保留巷幫擋矸防護即可。滯后臨時支護區(qū)域位于工作面后方200m范圍，實施沿空留巷后，根據(jù)現(xiàn)場觀測礦壓觀測結(jié)果再優(yōu)化滯后臨時支護區(qū)長度，進一步優(yōu)化其他工藝。

3.5 巷幫擋矸防護

工作面后方留巷巷幫采用“擋矸金屬網(wǎng)(鋼筋網(wǎng))+可伸縮U型鋼+木板背幫”進行擋矸防護，為防止移架后頂板直接垮落竄入巷道，應(yīng)做到移架后及時將擋矸金屬網(wǎng)(鋼筋網(wǎng))和可伸縮U型鋼與過渡支架平行安裝，若移架前、端頭支護移動前沒有安裝到位，則不能移架、不能前移端頭支護。巷幫擋矸防護設(shè)計如圖6所示。

圖6 巷幫擋矸防護設(shè)計示意圖

金屬網(wǎng)(鋼筋網(wǎng))相互搭接組成擋矸金屬網(wǎng)，使用29U/1800-01型可縮性U型鋼支架，搭接長度不小于1000mm，間距500mm，每排1組可伸縮U型鋼。對留巷幫與可縮性U型鋼支架接觸不充分部位，采用木板背幫。端頭過渡支架移架后，緊貼支架先搭接擋矸金屬網(wǎng)，再架設(shè)擋矸U型鋼，擋矸金屬網(wǎng)和擋矸U型鋼都位于切縫下方靠巷道采空區(qū)一側(cè)，緊貼切縫邊緣，與液壓支架平行布置。單杠U型鋼下扎不小于100mm，在架設(shè)前需要做柱窩，柱窩低于巷道底板100mm，長×寬×高=180mm×140mm×100mm。

4 現(xiàn)場驗證

本項目于2018年6月在1309工作面進行了切頂卸壓，在13091巷和工作面回風巷相同位置分別進行了切頂效果考察。其未切頂段（圖左）和切頂段（圖右）對比效果如圖7所示。

圖7 切頂卸壓段效果對比圖

由上圖可見，未切頂段頂部工字鋼棚梁中部已明顯變形，采空區(qū)側(cè)巷幫柱腿受擠壓彎曲嚴重，切頂卸壓段頂部和采空區(qū)側(cè)變形不大，巷道成型效果較好。說明來自上方圍巖和采空區(qū)側(cè)的疊加應(yīng)力是造成巷道變形的主要原因，切頂后基本消除了巷道頂部和側(cè)向的疊加應(yīng)力，實現(xiàn)了巷道的支護安全。

5 結(jié)論

對岳城煤礦13091巷進行了切頂卸壓試驗，根據(jù)現(xiàn)場頂板圍巖特性、厚度確定了切縫位置、預(yù)裂深度、爆破強度、鉆孔角度、深度間距和切縫孔布置等一系列具體技術(shù)參數(shù)，提出了配套的巷道臨時加固和擋矸措施，形成了符合岳城條件的切頂卸壓關(guān)鍵技術(shù)體系。經(jīng)過現(xiàn)場驗證，切頂卸壓段頂部和采空區(qū)側(cè)變形都在規(guī)程允許范圍之內(nèi)，巷道成型效果良好，為該礦沿空掘巷頂板控制提供了可靠依據(jù)。