王文杰

(山西陽煤集團運裕公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

目前鹿臺山煤礦2#煤層工作面均采用雙巷布置，U型通風，工作面間留設(shè)15 m保護煤柱。這種布置方式主要存在著巷道掘進成本高、支護難度大，采掘接續(xù)銜接緊張，煤柱資源浪費嚴重，煤柱自然發(fā)火威脅礦井安全生產(chǎn)等問題。為解決這一難題，礦井從2203工作面開始采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，成功地解決了以上問題。

1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的原理

切頂卸壓沿空留巷即沿工作面前方預留巷道采空區(qū)側(cè)布置爆破切頂鉆孔，對工作面頂板進行超前預裂爆破，使頂板沿預定方向產(chǎn)生切縫，即為切頂線；隨著工作面的不斷推進，采空區(qū)頂板周期性來壓，巷道采空區(qū)側(cè)頂板沿切縫垮落形成留巷巷幫，進而實現(xiàn)切頂卸壓沿空留巷，大大減輕采空區(qū)頂板來壓時對留巷的影響，留巷效果如圖1所示。

圖1 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)原理示意圖

切頂卸壓的技術(shù)原理主要是爆破預裂頂板切斷了直接頂及基本頂?shù)膽冶?，斷開了巷道頂板與采空區(qū)側(cè)頂板的聯(lián)系，減少了支護體承擔巖石重力，減少了頂板巖層的回轉(zhuǎn)角及下沉量，保證了巷道頂板巖層的完整性，避免直接頂巖層與基本頂巖層間的離層，將巷道周邊的應(yīng)力集中向圍巖深部轉(zhuǎn)移，改善巷道所處位置圍巖應(yīng)力環(huán)境。

成巷的技術(shù)原理主要是定向斷裂的巖體在采動壓力作用下，頂板沿切縫自行垮落，切頂卸壓一次成巷。減輕了采空區(qū)頂板垮落時對留巷支護的破壞作用，減少了巷道維護量，節(jié)約了大量的人力、物力和財力。

2 切頂卸壓沿空留巷支護分區(qū)

工作面推進過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響，工作面開采后，頂板開采垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸支護。隨著工作面繼續(xù)推進，當巷道距工作面較遠時，頂板運動基本會趨于穩(wěn)定，此時可將架后臨時支護的設(shè)備撤掉，只進行擋矸支護即可。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測經(jīng)驗，將工作面前后劃分為3個區(qū)：超前支護區(qū)，滯后臨時支護區(qū)和成巷穩(wěn)定區(qū)，不同分區(qū)根據(jù)需要采取不同的支護措施，如圖2所示。

圖2 切頂卸壓沿空留巷支護分區(qū)

2.1 超前支護區(qū)

此段巷道位于工作面超前采動影響區(qū)，巷道頂板壓力較大，因此需要超前支護。超前支護通常采用“單體液壓支柱+π型鋼梁”進行支護，“一梁三柱”布置，若超前支撐壓力影響范圍很大，相應(yīng)增加超前支護范圍；若超前支撐壓力很大，則減小“單體液壓支柱+π型鋼梁”排距或改“一梁三柱”為“一梁四柱”布置增加支護強度。在不影響工作面生產(chǎn)的情況下，也可采用單體液壓支柱抬棚進行超前支護。

2.2 滯后臨時支護區(qū)

此段巷道位于工作面后方周期壓力影響區(qū)，受動壓影響明顯，巷道頂板壓力較大。為了防止周期來壓時頂板垮落巖石沖入巷道和留巷初期頂板的下沉，常采用聯(lián)合支護形式。

單體液壓支柱+工字鋼：滯后臨時支護區(qū)范圍內(nèi)在靠近采空區(qū)側(cè)采用一排“密集單體支柱+工字鋼”進行擋矸支護，在巷道內(nèi)部布置“一梁三柱”的“單體液壓支柱+π型鋼梁”進行頂板支護。

工字鋼+單體液壓支柱液壓抬棚：采空區(qū)側(cè)采用密集單體柱進行擋矸支護，巷道內(nèi)部采用單體液壓支柱抬棚進行頂板支護，單體液壓支柱抬棚可根據(jù)實際情況適當調(diào)整抬棚之間的距離。具體支護方式應(yīng)根據(jù)工作面圍巖性質(zhì)并結(jié)合滯后臨時支護區(qū)頂板壓力調(diào)整。

2.3 成巷穩(wěn)定區(qū)

此段巷道位于開始留巷位置與超后臨時支護區(qū)之間，此區(qū)域內(nèi)巷道受采動影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化很小，可認為該區(qū)域已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將臨時支護的頂板支護撤掉，只保留密集單體柱進行擋矸。

3 切頂卸壓沿空留巷技術(shù)的優(yōu)勢

3.1 緩解采掘接替緊張，節(jié)約了巷道掘進費

如圖3所示，如果2203工作面采用雙巷布置，即該回采工作面需要掘進2條巷道，運輸巷和回風巷。這2條巷道在2202工作面回采期間及2202工作面回采結(jié)束后的1年內(nèi)，2203回風巷受采動壓力的影響暫時不能掘進，否則會造成掘進速度慢、掘進困難，采掘關(guān)系緊張。同時巷道變形大，巷道支護、維護成本高。

圖3 2203工作面雙巷布置平面圖

圖4 沿空留巷模式下2203工作面布置平面圖

如圖4所示，如果2203工作面采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，在2202工作面回采前，采用切頂卸壓技術(shù)將2202運輸巷與工作面(回采后形成采空區(qū))頂板切斷，待2202工作面回采后，采空區(qū)上方頂板沿切縫垮落形成巷幫，實現(xiàn)2202運輸巷沿空留巷作為2203回風巷。采用這種技術(shù)后，只需掘進2203運輸巷和切眼，就能形成2203工作面的巷道系統(tǒng)，少掘一條回風巷，有利于緩解礦井采掘接替緊張，改善礦井采掘接替關(guān)系。根據(jù)礦井采掘工程平面圖，2203回風巷長1 328 m，按照煤巷4 100元/m的掘進成本來算，少掘一條回風巷能夠節(jié)省掘進費用544.8萬元。

3.2 增加煤炭產(chǎn)量，提升礦井經(jīng)濟效益

采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，工作面之間沒有保護煤柱，2203工作面長度增加15 m，能夠提高采區(qū)回采率9%。2203工作面回采長度1 250 m，平均煤厚2.2 m，2#煤視密度1.53 t/m3，若采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)將原計劃留設(shè)15 m的保護煤柱全部開采出來，能夠增加工作面產(chǎn)量6.3萬t。按照噸煤價格800元計算，2203工作面能夠增加銷售額5 040萬元。鹿臺山煤礦目前保護煤柱留設(shè)寬度15 m，其中2#煤層還有7個工作面尚未開采，若全部采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，將節(jié)省6個區(qū)段保護煤柱，保守估計煤柱儲量達45萬t，按照噸煤售價800元計算，價值3.6億元。

3.3 實現(xiàn)無煤柱連續(xù)開采，消除“孤島工作面”

“孤島工作面”是指準備回采的工作面周圍均為采空區(qū)或者工作面區(qū)段巷兩側(cè)均為采空區(qū)的工作面，在這種工作面內(nèi)進行的采煤工作稱為“孤島”工作面采煤。這種工作面采場頂板覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)會對工作面支架造成沖擊載荷，形成大面積片幫，嚴重時會造成支架壓死、設(shè)備損壞，擠出的煤體會封堵工作面出口，同時導致瓦斯涌出量增加等工程災(zāi)害。采用切頂卸壓沿空掘巷技術(shù)后，工作面之間不再留設(shè)區(qū)段保護煤柱，并且不需要工作面跳采，從根本上避免了出現(xiàn)孤島工作面的情況。

3.4 改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布，降低支護難度

工作面自開切眼推進一定距離后，首先在懸露老頂?shù)闹醒爰跋锏肋吘壭纬伞癘”型破斷，之后沿斷裂線回轉(zhuǎn)下沉，形成X型破斷，這個過程就是頂板的“O-X”破斷，同時也是工作面初次來壓的過程。隨著工作面繼續(xù)推進，頂板的“O-X”破斷也向前移動，造成工作面周期來壓，在頂板的“O-X”破斷過程中，工作面端頭后方會形成弧形三角板，在采空區(qū)固定邊界的上方也就是煤柱或煤體上方經(jīng)常形成不整齊的頂板殘留邊界?；⌒稳前搴蜌埩暨吔绲男纬蛇^程對巷道產(chǎn)生動壓影響，形成后的頂板結(jié)構(gòu)對巷道產(chǎn)生靜壓影響。若工作面不采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，回采過程中在工作面上下端頭上方主關(guān)鍵層形成“弧形三角板”，對巷道造成動壓影響，隨著工作面繼續(xù)推進，“弧形三角板”穩(wěn)定后對巷道造成靜壓影響。

在“弧形三角板”動壓和靜壓的影響下，巷道圍巖結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成巷道所受應(yīng)力大、巷道變形大，支護困難，返修率高，維護成本高。采用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)后，切斷留巷巷道頂板與采空區(qū)頂板巖層之間的聯(lián)系，應(yīng)力無法傳遞，避免留巷巷道受到“弧形三角板”動壓和靜壓的影響，改善巷道圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力場分布情況，降低巷道支護難度，減少巷道維護費用，減少巷道掘進事故。

4 結(jié)語

鹿臺山煤礦在采煤工作面應(yīng)用切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，實現(xiàn)了采煤工作面的無煤柱連續(xù)開采，減少了巷道掘進費，節(jié)約了巷道維護成本，緩解了采掘接續(xù)緊張局面，提高了礦井資源回收率，增加了礦井效益，符合綠色礦山建設(shè)要求，對促進無煤柱護巷技術(shù)的發(fā)展具有一定的指導意義。