切頂成巷技術(shù)在煤礦開采中的價(jià)值分析

車德高CHE De-gao；朱長(zhǎng)海ZHU Chang-hai；姜晨JIANG Chen

（①黑龍江省應(yīng)急管理廳，哈爾濱 150000；②七臺(tái)河嵐峰礦業(yè)有限公司，七臺(tái)河 154500；③黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱 150022）

0 引言

煤炭是我國(guó)重要的能源，在我國(guó)一次能源儲(chǔ)備中占有量接近90%，在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中，占有量約為70%[1]。傳統(tǒng)的長(zhǎng)壁開采需要留設(shè)煤柱，不僅會(huì)造成資源的大量浪費(fèi)，且煤柱處會(huì)形成應(yīng)力集中，易導(dǎo)致煤柱破碎，存在安全隱患[2]。2008 年，何滿潮院士[3]提出了“切頂卸壓自動(dòng)成巷無(wú)煤柱開采技術(shù)”，該技術(shù)與傳統(tǒng)沿空留巷工藝相比，免除了沿巷充填體的構(gòu)建需求。通過在巷道頂板上實(shí)施定向切縫，使得在工作面開采后，能夠引導(dǎo)巷道頂板在預(yù)定位置切落，進(jìn)而通過懸掛防護(hù)網(wǎng)和進(jìn)行封堵，形成了巷道采空區(qū)側(cè)巷幫。這一方法使得原先服務(wù)于上一工作面的回采巷道，能夠繼續(xù)服務(wù)于新的工作區(qū)段，從而只需新開挖一條回采巷道即可實(shí)現(xiàn)工作面的開采，達(dá)到了無(wú)煤柱開采的目的。目前，該技術(shù)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)煤礦中推廣應(yīng)用。梁紅瑞等[4]介紹了店坪煤礦5-200 工作面的總體情況，借助理論計(jì)算、對(duì)比分析、工程類比等方法設(shè)計(jì)切頂卸壓詳細(xì)方案，已在店坪煤礦5-200 采煤工作面推廣應(yīng)用，取得了階段性的良好效果。郭志飚等[5-6]以嘉陽(yáng)煤礦3118 薄煤層工作面為工程背景，通過現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件分析，建立力學(xué)模型，推導(dǎo)切縫角度和高度的理論公式，利用數(shù)值計(jì)算方法，確定預(yù)裂切頂合理參數(shù)，并分析作用效果。然而，切頂卸壓沿空留巷的設(shè)計(jì)受到覆巖結(jié)構(gòu)、巷道布置條件等多種因素的影響，是一種涉及復(fù)雜動(dòng)壓的巷道設(shè)計(jì)[7]。在不同的工程地質(zhì)條件下，巷道設(shè)計(jì)中合理切頂參數(shù)的選取存在明顯的差異。因此，對(duì)于特定巷道設(shè)計(jì)，深入研究合理切頂關(guān)鍵參數(shù)的選擇顯得尤為重要。本文以黑龍江雞西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬煤礦為工程背景，采用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、工業(yè)實(shí)踐等手段，對(duì)切頂自動(dòng)成巷技術(shù)價(jià)值進(jìn)行分析。

1 研究對(duì)象概述

本次切頂成巷技術(shù)價(jià)值的改進(jìn)對(duì)象為黑龍江雞西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司下屬煤礦，該礦的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 萬(wàn)t/a，核定能力為200 萬(wàn)t/a，其中可采煤層16 層，可采煤層總厚度5.70～15.25m，地表標(biāo)高在+200～+220m 左右。其中二水平西三54#右三（外）回采工作面位于該礦井西部，埋深759.1～829.7m，煤層厚度2.98m，煤層傾角5～8°，回采工作面平均走向長(zhǎng)445m，傾斜長(zhǎng)193m，面積53770m2。二水平西三54#右三（外）工作面頂?shù)装逄卣髑闆r，如表1 所示，采掘平面圖如圖1 所示。

表1 頂?shù)装逄卣鞅?/p>

圖1 54#右三（外）回采工作面采掘平面圖

2 價(jià)值工程情報(bào)資料的收集與整理

通過實(shí)地勘察、歷史數(shù)據(jù)整理等情報(bào)資料收集工作得出西三54#右三（外）巷道為梯形巷道，巷道掘?qū)挕林懈?4.6m×2.6m，錨桿間排距為1m，錨索間距為2m，2 排錨索支護(hù)，錨索長(zhǎng)度5.2m，鋼帶間距為1m，錨桿長(zhǎng)度為2.0m；支護(hù)示意圖見圖2。然而，從支護(hù)效果來看，該巷道的控制效果并不理想。

圖2 54# 右三（外）回采巷道斷面

經(jīng)有用的價(jià)值情報(bào)分析得出：巷道的掘進(jìn)寬度和中高比例不適合該地質(zhì)條件，導(dǎo)致巷道圍巖的穩(wěn)定性不足。錨桿間排距較大，無(wú)法及時(shí)有效地控制巷道圍巖的變形和松動(dòng)。雖然采用了兩排錨索支護(hù)，但錨索的間距較大，無(wú)法提供足夠的支撐力。錨索長(zhǎng)度為5.2m，在某些地質(zhì)條件下不能深入到穩(wěn)定的巖層，影響支護(hù)效果。鋼帶間距較大，可能無(wú)法有效地將錨桿和錨索的支撐力傳遞到圍巖中。無(wú)法形成有效的支護(hù)體系。

3 沿空留巷圍巖控制技術(shù)價(jià)值功能分析與設(shè)計(jì)

鑒于上述價(jià)值情報(bào)，進(jìn)行沿空留巷圍巖控制技術(shù)價(jià)值分析和初步設(shè)計(jì)如下：

①突破巷道高度限制：如果巷道的頂部有穩(wěn)定的巖層，且這些巖層具有一定的承載能力，可以通過切頂成巷來增加巷道的有效高度，從而提高運(yùn)輸和通風(fēng)的效率，同時(shí)也為礦工提供了更大的工作空間。

②有利于資源回收：在某些情況下，巷道頂部的巖層可能含有可采的煤炭資源。通過切頂成巷，可以揭露這些煤炭資源，提高資源回收率。

③把控圍巖應(yīng)力狀態(tài)：在高地應(yīng)力條件下，巷道的頂板可能存在較大的變形和破壞風(fēng)險(xiǎn)。通過切頂成巷，可以調(diào)整巷道頂部的應(yīng)力狀態(tài)，降低頂板事故的風(fēng)險(xiǎn)。

④完善煤礦生產(chǎn)布局：礦井的生產(chǎn)布局可能需要通過切頂成巷來調(diào)整，以便于實(shí)現(xiàn)更高效的生產(chǎn)流程和煤炭資源的合理分配。

⑤保障煤礦安全：在某些情況下，切頂成巷可能是為了消除巷道頂部的安全隱患，如不穩(wěn)定巖層的處理或者防止頂板垮塌等。

由此本文提出“切、補(bǔ)、護(hù)、支”的切頂成巷的煤礦價(jià)值工程改進(jìn)技術(shù)，在設(shè)計(jì)以“切、補(bǔ)、護(hù)、支”為核心的沿空留巷工藝流程時(shí)，需要根據(jù)各巷道受采動(dòng)影響劇烈程度、圍巖結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。以下是設(shè)計(jì)沿空留巷工藝流程的具體步驟：

①切：切割頂板。

根據(jù)巷道頂板的圍巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用合適的切割方法對(duì)頂板進(jìn)行切割。切割過程中，要確保切割面的平整度和切割深度，以便為后續(xù)的支護(hù)工作提供良好的基礎(chǔ)。切割方法可以包括爆破切割、機(jī)械切割等。

②補(bǔ)：補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

針對(duì)切割后的頂板，采用補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施以提高頂板的穩(wěn)定性和承載能力。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)可以包括以下幾種方法：錨桿和錨索支護(hù)：在切割面周圍布置一定數(shù)量的錨桿和錨索，通過錨固作用提高頂板的穩(wěn)定性。注漿加固：對(duì)切割后的頂板進(jìn)行注漿加固，填充圍巖裂縫，提高圍巖的整體強(qiáng)度。鋼帶、金屬網(wǎng)加固：在頂板表面鋪設(shè)鋼帶或金屬網(wǎng)，通過摩擦作用增強(qiáng)頂板的整體穩(wěn)定性。

③護(hù)：巷旁支護(hù)。

為了防止采空區(qū)側(cè)向壓力對(duì)巷道的影響，需要在巷道側(cè)壁進(jìn)行巷旁支護(hù)。巷旁支護(hù)可以采用以下方法：巷旁充填：在巷道側(cè)壁與采空區(qū)之間進(jìn)行充填，形成一道隔離帶，以減輕側(cè)向壓力對(duì)巷道的影響。巷旁錨桿或錨索支護(hù)：在巷道側(cè)壁布置一定數(shù)量的錨桿或錨索，通過錨固作用提高巷道側(cè)壁的穩(wěn)定性。

④支：整體支護(hù)。

整體支護(hù)是為了保證巷道在采動(dòng)影響下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性。整體支護(hù)可以包括以下方法：錨噴支護(hù)：在巷道頂板和側(cè)壁進(jìn)行錨噴支護(hù)，形成一層堅(jiān)固的保護(hù)層，提高巷道的整體穩(wěn)定性。支架支護(hù)：在巷道內(nèi)安裝支架，通過支架的支撐作用分擔(dān)頂板的載荷，提高巷道的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的礦井條件和開采要求，結(jié)合以上方法，對(duì)沿空留巷工藝流程進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)和調(diào)整。同時(shí)，要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作，及時(shí)掌握巷道穩(wěn)定性和圍巖變化情況，確保沿空留巷工藝的順利進(jìn)行。

3.1 切頂參數(shù)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行回采工作之前，為了降低回采過程中頂板的運(yùn)動(dòng)和巷道的變形，提高煤炭資源的回收率，需要在下巷回采方向左幫進(jìn)行預(yù)裂爆破。預(yù)裂爆破是一種常用的礦山技術(shù)，通過預(yù)先在巖體中形成裂縫，降低巖體的整體強(qiáng)度，從而減小采動(dòng)影響，控制頂板運(yùn)動(dòng)和提高資源回收率，切頂參數(shù)如表2 所示。

表2 切頂參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)預(yù)裂爆破方案：根據(jù)價(jià)值改進(jìn)對(duì)象的地質(zhì)條件、圍巖穩(wěn)定性、采場(chǎng)尺寸等因素，確定預(yù)裂爆破的位置、間距、深度、裝藥量等參數(shù)。鉆孔：按照設(shè)計(jì)方案，使用鉆機(jī)在左幫原支護(hù)鋼帶外向工作面方向沿走向每隔0.3m 打一個(gè)預(yù)裂爆破眼。眼深6.0m，孔徑φ45mm。裝藥：將預(yù)裂爆破眼清洗干凈，然后按照設(shè)計(jì)裝藥量每個(gè)眼內(nèi)裝入4 個(gè)藥卷。藥卷應(yīng)沿與鉛垂方向15°夾角施工炮眼，以確保爆破能量沿著預(yù)裂縫方向傳播。連線：將所有預(yù)裂爆破眼的藥卷用電線連在一起，形成一個(gè)電爆網(wǎng)絡(luò)。爆破：在確保人員安全的情況下，引爆電爆網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行預(yù)裂爆破。爆破時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，防止爆破波及工作面和巷道。檢查：爆破完成后，對(duì)預(yù)裂縫的形成情況進(jìn)行檢查，確保預(yù)裂縫的質(zhì)量和分布滿足設(shè)計(jì)要求。如有需要，可以對(duì)未達(dá)到設(shè)計(jì)效果的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)孔和補(bǔ)藥。支護(hù)：預(yù)裂爆破完成后，對(duì)巷道進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，以防止因爆破引起的圍巖松動(dòng)和變形。支護(hù)可以包括錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、鋼帶等。通過以上步驟，形成切頂卸壓預(yù)裂切縫線，可以有效地減輕采動(dòng)對(duì)頂板的影響，控制頂板的運(yùn)動(dòng)，提高巷道的穩(wěn)定性，為回采工作創(chuàng)造良好的條件。同時(shí)，預(yù)裂爆破還可以提高煤炭資源的回收率，減少資源浪費(fèi)。

在本價(jià)值工程改進(jìn)案例中，切頂爆破采用三級(jí)煤礦乳化炸藥，藥卷規(guī)格為φ30mm×300mm，如圖3 所示。

圖3 炮眼裝藥示意圖

具體的切頂爆破裝藥和封堵步驟如下：裝藥：首先，將三級(jí)煤礦乳化炸藥藥卷依次頂入炮眼眼底。每炮眼裝入一套藥卷，確保藥卷完全放入炮眼內(nèi)。雷管放置：在最后一個(gè)藥卷上，放置1 發(fā)雷管。雷管放置位置應(yīng)適當(dāng)，以確保爆破效果。封堵：在雷管上方，放置1 節(jié)水炮泥。水炮泥的作用是防止爆破時(shí)火焰?zhèn)魅胝ㄋ帲岣弑瓢踩阅?。炮泥封?shí)：將炮泥均勻涂抹在炮眼周圍，封堵炮眼。封泥長(zhǎng)度不小于2.5m，以確保封堵效果。炮眼封泥長(zhǎng)度：炮眼封泥長(zhǎng)度應(yīng)不小于2.5m，以確保炸藥完全被封堵。孔口至封泥位置：從孔口至封泥位置，不充填炮泥。這樣做是為了便于爆破時(shí)火焰?zhèn)魅胝ㄋ?，提高爆破效果。炮眼裝藥示意圖如圖3 所示，展示了炮眼、藥卷、雷管、水炮泥和炮泥的布置情況。完成切頂爆破的裝藥和封堵工作。這樣的裝藥和封堵方法可以有效地控制頂板運(yùn)動(dòng)，減輕采動(dòng)影響，提高資源回收率，并為礦山安全創(chuàng)造良好的條件。同時(shí)，采用三級(jí)煤礦乳化炸藥具有較高的爆破效果和安全性，適用于煤礦井下切頂爆破作業(yè)。

3.2 加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)

切頂留巷加強(qiáng)支護(hù)是在煤礦開采過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，旨在確保巷道的穩(wěn)定性和工作人員的安全。在留巷前，頂板的支護(hù)是關(guān)鍵。在本案例中，頂板在原巷道支護(hù)的基礎(chǔ)上，由切眼往外逐步進(jìn)行加強(qiáng)。具體的留巷前頂板加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)方案如下：①確定支護(hù)范圍：回采時(shí)，應(yīng)在超前工作面100m 的范圍內(nèi)進(jìn)行頂板加強(qiáng)支護(hù)，以確保留巷后的穩(wěn)定性和安全性。②補(bǔ)打錨索：在確定的支護(hù)范圍內(nèi)，沿巷道走向方向垂直巷道，補(bǔ)打配方托盤（0.3m×0.3m×0.02m）的6.2m長(zhǎng)φ21.8mm 錨索。錨索是一種高強(qiáng)度的支護(hù)材料，可以有效地提高頂板的穩(wěn)定性和承載能力。③錨索安裝：在補(bǔ)打錨索時(shí)，應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝。將錨索放入預(yù)先鉆好的孔內(nèi)，然后用錨固劑將錨索與孔壁粘結(jié)牢固。將托盤放置在孔口處，確保托盤與孔壁緊密接觸。最后，用螺母將錨索與托盤連接牢固，確保錨索的拉力能夠有效地傳遞到托盤上。④補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)平面圖：補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)平面圖如圖4 所示，展示了補(bǔ)打錨索的位置、錨索的布置方式以及托盤的放置位置。

圖4 加強(qiáng)支護(hù)平面圖

4 價(jià)值效果評(píng)價(jià)

4.1 安全價(jià)值

圖5為切頂成巷的價(jià)值效果評(píng)價(jià)曲線，在巷道處于超前支護(hù)影響范圍時(shí)（即距離工作面30m 范圍），隨著巷道與工作面之間距離的減小，位移量的增長(zhǎng)速率也在逐漸加快。在這個(gè)階段，工作面推進(jìn)會(huì)引起超前應(yīng)力集中，巷道表面位移增加是對(duì)應(yīng)力集中的響應(yīng)。

圖5 留巷價(jià)值效果評(píng)價(jià)曲線

當(dāng)巷道進(jìn)入滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)域（即工作面后方0 至60m 的范圍內(nèi)），巷道表面的位移增長(zhǎng)趨勢(shì)變得相對(duì)緩慢。這個(gè)階段，切頂成巷起到了很大作用，使工作面推進(jìn)引起的圍巖應(yīng)力集中得到充分釋放、圍巖變形得到了控制從而導(dǎo)致位移增長(zhǎng)速度的減緩。

最后，當(dāng)巷道所處的滯后工作面距離超過60m，巷道進(jìn)入了成巷穩(wěn)定區(qū)域如圖6 所示。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，頂?shù)装搴蛢蓭偷奈灰屏慷歼_(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。頂?shù)装宓淖畲笪灰屏繛?82mm，而兩幫的最大位移量為189mm。通過圍巖變形量表明，巷道圍巖已經(jīng)達(dá)自穩(wěn)狀態(tài)，支護(hù)狀態(tài)良好。進(jìn)一步驗(yàn)證了該研究的工程策略的科學(xué)性和價(jià)值性。

圖6 切頂留巷效果圖

4.2 經(jīng)濟(jì)價(jià)值

在西三54#右三（外）巷道實(shí)施沿空留巷技術(shù)后，每米巷道的成本估算為6500 元，而對(duì)于整個(gè)445m 的巷道，總成本達(dá)到了736 萬(wàn)元。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅避免了巷道和輔助巷的額外掘進(jìn)費(fèi)用，解決采掘接續(xù)緊張的問題，還使得西三54#右三（外）工作面的布置時(shí)間提前了至少2 個(gè)月。以每月產(chǎn)量2.3 萬(wàn)噸計(jì)，提前布置將帶來額外4.6 萬(wàn)噸的產(chǎn)量。依據(jù)2023 年的預(yù)算，精煤不含稅售價(jià)為1500 元/噸，完全成本為300 元/噸，因此，增加的產(chǎn)量將帶來5520萬(wàn)元的利潤(rùn)。切頂成巷技術(shù)取消保護(hù)煤柱的策略使礦井最大限度地釋放了優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能。原煤柱長(zhǎng)度為445m，寬度為6m，平均煤厚為2.98m。增加了2.96 萬(wàn)噸的煤炭回收量，從而提高了1241 萬(wàn)元的凈利潤(rùn)。綜上所述采用新的改進(jìn)技術(shù)創(chuàng)造總經(jīng)濟(jì)效益高6761 萬(wàn)元，這表明沿空留巷技術(shù)為礦井帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)收益。

5 結(jié)論

本研究通過深入分析黑龍江龍雞西礦業(yè)集團(tuán)下屬煤礦二水平西三54#右三（外）工作面的地質(zhì)特征和開采條件，針對(duì)性地提出了基于切頂成巷技術(shù)的巷道支護(hù)方案。經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用和價(jià)值評(píng)價(jià)，不僅驗(yàn)證了該方案在巷道支護(hù)方面的有效性，更揭示了其在提升礦井安全生產(chǎn)水平和經(jīng)濟(jì)效益方面的巨大潛力。

①在巷道支護(hù)效果方面，新方案通過實(shí)施“切、補(bǔ)、護(hù)、支”的沿空留巷支護(hù)理念，有效減少了巷道表面的變形量。爆破預(yù)裂鉆孔的精準(zhǔn)施工、頂板補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)的穩(wěn)固布置、巷旁擋矸設(shè)施的完善構(gòu)建以及滯后臨時(shí)支護(hù)的及時(shí)跟進(jìn)，共同確保了巷道的穩(wěn)定性和安全性。這不僅提高了巷道的使用壽命，降低了巷道維護(hù)成本，更為礦工提供了一個(gè)更為安全、舒適的工作環(huán)境。②在安全生產(chǎn)水平提升方面，新方案的實(shí)施顯著降低了礦井事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。通過優(yōu)化巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)，減少了因巷道變形引發(fā)的安全事故隱患。同時(shí)，新方案還提高了礦井的抗災(zāi)能力，為應(yīng)對(duì)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害提供了更為可靠的保障。③在經(jīng)濟(jì)效益分析方面，新方案帶來的收益遠(yuǎn)超預(yù)期。雖然初期投入較高，但長(zhǎng)期來看，其降低了巷道維護(hù)成本、提高了生產(chǎn)效率、延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，為礦井帶來了可觀的收益。經(jīng)詳細(xì)計(jì)算，采用該技術(shù)可為礦井帶來約6761 萬(wàn)元的收益，充分證明了切頂成巷技術(shù)在煤礦開采中的重要價(jià)值。

綜上所述，本研究提出的基于切頂成巷技術(shù)的巷道支護(hù)方案在黑龍江龍煤雞西礦業(yè)集團(tuán)下屬煤礦的應(yīng)用中取得了顯著成效。它不僅解決了特定地質(zhì)條件下采掘接替緊張與回采率低下的難題，還為類似條件下的煤礦開采提供了有益的技術(shù)參考和經(jīng)濟(jì)效益分析。展望未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷深化，切頂成巷技術(shù)將在煤礦開采領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，為煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提升做出更大的貢獻(xiàn)。