劉會強，杜留群

(義煤集團 新義礦業(yè)有限公司，河南 新安 471800)

煤炭資源開采至今，我國大部分煤礦企業(yè)都存在資源緊張的問題，特別是在采煤工藝較為落后的礦井，采用留設區(qū)段煤柱采煤工藝的工作面對緊張的煤炭資源帶來了進一步浪費，且隨著開采深度的日益增加，留設區(qū)段煤柱的工作面將面臨應力集中的影響，從而導致巷道圍巖破碎變形、礦壓增大，甚至出現(xiàn)瓦斯突出事故，對礦井安全高效生產(chǎn)造成威脅。為了解決上述問題，沿空留巷技術被廣泛應用于各個礦井[1-5]。沿空留巷技術是將采空區(qū)巷道進行支護保留，將保留巷道用于臨近工作面的開采，這樣不僅可以節(jié)省巷道掘進的生產(chǎn)成本和時間成本，緩解礦井的接替壓力，還能避免留設大量煤柱造成煤炭資源的浪費。

沿空留巷技術的核心是“拉得住、切得開、下得來、護得牢”，基于該技術核心理念，2009年何滿潮院士提出了切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(以下簡稱切頂留巷開采技術)，這項技術是以“切頂短臂梁”為理論基礎，原理是沿留設巷道對采空區(qū)側頂板進行預爆破制造出裂縫，使采空區(qū)基本頂垮落與留巷基本頂分開，并且垮落的采空區(qū)基本頂能夠形成巷幫，改善了留巷圍巖的應力環(huán)境，使用該技術不僅成巷速度快、施工工藝簡單，還能夠極大地節(jié)省工程量和施工成本，應用前景廣闊[6-10]。

基于國內(nèi)外大量煤礦工作者及研究者的理論研究和實踐經(jīng)驗，新義煤礦在11090綜采面應用了切頂留巷開采技術，以解決生產(chǎn)接替緊張的問題。

1 工程概況

1.1 工作面概況

11090綜采工作面位于新義礦東翼11采區(qū)，北部為新義礦業(yè)井田邊界保護煤柱，南部為東翼回風大巷保護煤柱，西部為11080工作面(未回采)，東部為11100工作面(未圈定)，11090工作面傾向長

為977～1 030 m，走向長185 m，回采面積186 633 m2。工作面標高為-302.2～-222.6 m，工作面二1煤層底板標高為-306.4～-224.8 m，地面標高為+361.9～+400.6 m，煤厚平均4.7 m。切頂留巷起始位置選在11090膠帶巷700 m處。工作面平面布置如圖1所示。工作面直接頂巖性為砂質(zhì)泥巖，厚1.8 m；基本頂巖性為中粒砂巖，厚12.6 m；直接底巖性粉砂巖，厚0.8 m；基本底巖性為硅質(zhì)泥巖，厚2.8 m。頂?shù)装鍘r石物理力學性質(zhì)試結果見表1。

圖1 工作面平面布置Fig.1 Floor plan of working face

表1 頂?shù)装鍘r石物理力學性質(zhì)試驗Tab.1 Roof and rock mechanics parameters

1.2 巷道原支護方式

該巷道為沿頂掘進，矩形斷面，寬4.9 m、高3.2 m，斷面15.7 m2，采用“錨網(wǎng)索+鋼筋梯”聯(lián)合支護，頂板錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 500 mm，間排距為800 mm×1 000 mm，錨索規(guī)格φ17.8 mm×6 000 mm、間排距為1 600 mm×2 000 mm，幫部錨桿規(guī)格φ20 mm×2 500 mm，間排距為800 mm×1 000 mm；鋼筋梯采用φ14 mm圓鋼加工、排距1 000 mm。11090膠帶巷2018年施工結束至今，巷道支護狀況良好，頂板未出現(xiàn)明顯下沉，兩幫未出現(xiàn)明顯位移，目前巷寬4.6 m，巷高3 m，符合切頂留巷條件。原巷道支護斷面如圖2所示。

2 切頂留巷技術原理及工藝流程

2.1 切頂留巷技術原理

圖2 原巷道支護斷面Fig.2 Original supporting form of roadway

切頂留巷開采技術以“切頂短壁梁”為理論基礎，通過恒阻大變形錨索強化支護留巷頂板，然后對預留巷道沿采空區(qū)頂板進行預爆破，制造出裂縫，將留巷基本頂與采空區(qū)基本頂“切開”，造成采空區(qū)與留巷上覆巖層間出現(xiàn)斷裂結構面，將采空區(qū)上覆巖層的應力傳播路徑切斷，從而改變留巷頂板的受力狀態(tài)。采空區(qū)基本頂上覆巖層應力集中，順裂縫自然垮落形成巷幫，實現(xiàn)無煤柱自動成巷[11-12]。

根據(jù)工程進度可將工作面劃分成超前切頂區(qū)、滯后臨時支護區(qū)以及成巷穩(wěn)定區(qū)3個區(qū)域。留巷的技術核心是“拉得住、切得開、下得來、護得牢”。

(1)超前切頂區(qū)。位于超前支護區(qū)之前，該區(qū)域內(nèi)巷道尚未受到超前支承壓力的影響，在巷道支護的作用下圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。在超前切頂區(qū)內(nèi)，主要進行頂板補強支護和超前預裂切縫，增加采空區(qū)側頂板自由面，確保在高支護阻力下實現(xiàn)巷道“緩變性”破壞，工作面回采后，采空區(qū)頂板受自重和礦壓作用，沿切縫面自動垮落成巷。

(2)滯后臨時支護區(qū)。位于成巷穩(wěn)定區(qū)之前、端頭支護區(qū)之后，該區(qū)域內(nèi)留巷頂板動壓顯現(xiàn)劇烈易引起頂板下沉，為避免垮落頂板落入巷道，可采取擋矸措施，同時配合一定的臨時支護保護留巷受動壓影響出現(xiàn)嚴重變形，最終實現(xiàn)沿空留巷。

(3)成巷穩(wěn)定區(qū)。位于滯后臨時支護區(qū)之后，隨著工作面繼續(xù)推進，當留巷距離工作面較遠時，留巷受工作面周期來壓影響較小，此時采空區(qū)頂板上覆巖層應力反應已基本穩(wěn)定，回撤滯后臨時區(qū)液壓抬棚和單體柱抬棚，完成沿空留巷。

圖3 沿空留巷分區(qū)示意Fig.3 Schematic diagram of zoning of reserved lanes along the goaf

2.2 切頂留巷工藝流程

切頂留巷自11090膠帶巷700 m處開始，工藝以“補、切、護”為主[13-14]：巷道超前區(qū)補強加固→超前預裂切縫(切頂眼打設→預裂爆破切頂)→工作面端頭控制→滯后臨時支護區(qū)支護(非煤墻側幫部補強加固、采空區(qū)側擋矸防護)→沿空留巷支護與端頭支護聯(lián)合布置→完成沿空留巷。

2.3 切頂留巷技術關鍵

切頂留巷技術的關鍵是如何在留巷過程中控制頂板變形，可利用直徑較大的錨索進行多輪次打設，強化留巷頂板的穩(wěn)定性。同時為了保證采空區(qū)頂板能夠順利地按照設計高度垮落成巷幫，利用雙向聚能管進行預爆破切縫。在采空區(qū)頂板垮落后，在切縫側采用擋矸及臨時支護的方式阻止垮落矸石流入巷道，避免后期產(chǎn)生大量的清矸任務[13-14]。

2.3.1 頂幫錨索支護技術

為了避免預留巷道受切頂及周期來壓的影響出現(xiàn)巷道大量變形，在開始切頂之前，使用大直徑錨索進行超前補強支護。頂板錨索由原來的每排3根加密至5根、間排距由原來的1.6 m×2 m縮小至0.8 m×1 m，其中沿空側錨索距巷幫500 mm，頂板錨索采用φ18.9 mm×7 500 mm、φ18.9 mm×10 000 mm兩種規(guī)格；同時在實體煤幫每排增加2根錨索、間排距1.4 m×0.8 m，錨索規(guī)格φ18.9 mm×4 300 mm；預緊力不小于200 kN。預留巷道強化支護斷面如圖4所示。

圖4 預留巷道強化支護斷面示意Fig.4 Reinforcement supporting drawing of goaf entry retaining roof

2.3.2 雙向聚能預爆破切頂技術

雙向聚能預爆破切頂是切頂留巷技術的關鍵基礎，由于巖體耐壓易拉的結構特性，可使用雙向聚能管進行預爆破切頂，通過設定，爆破后在相反方向形成聚能流，對爆破處產(chǎn)生拉伸應力，使頂板能夠按照設計高度和方向形成預裂縫。工作面在形成采空區(qū)前，切斷與留設巷道頂板之間的應力傳遞路徑，采空區(qū)形成后基本頂沿預裂縫按照設計高度垮落，形成留設巷道巷幫，實現(xiàn)快速成巷。雙向聚能預爆破原理如圖5所示。

2.3.3 擋矸及支護技術

采空區(qū)頂板在垮落時容易流入預留巷道內(nèi)，同時為了避免留巷在切頂期間受動壓影響出現(xiàn)變形嚴重影響使用的情況，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用了工字鋼+菱形鋼筋網(wǎng)+擋矸布+U型卡纜+U型可伸縮擋矸柱+背木的擋矸及支護形式，其中工字鋼布置

圖5 雙向聚能預爆破原理Fig.5 Bidirectional shaped blasting schematic

間距為500 mm。擋矸及及支護方式如圖6所示。

圖6 擋矸及及支護方式示意Fig.6 Protection drawing of goaf side retaining gangue

(1)工作面端頭控制。為保護頂板支護錨索不被破壞，將端頭1號排頭架向工作面切眼內(nèi)挪移，工作面1號排頭架與頂板最邊緣一排錨桿向外間距不大于0.2 m。為防止采空區(qū)頂板矸石垮落、竄入巷道，增加安裝擋矸柱時施工安全系數(shù)，在1號、2號排頭架安裝自主加工臨時防護裝置控制頂板。

(2)采空區(qū)擋矸防護。擋矸支護緊貼支架后方施工，滯后支架不超過0.5 m。留巷效果主要取決于擋矸防護措施是否有效，為保證擋矸防護效果，在相鄰2根擋矸柱之間增加連板進行連鎖，擋矸柱與頂板之間采用廢舊錨桿進行固定，增加擋矸柱的穩(wěn)定性。

(3)加強支護區(qū)支護。架后0～200 m留巷段動壓影響范圍需進行加強支護，采空區(qū)側距幫1 m打設1排液壓抬棚，實體煤側距幫1 m打設1排“單體柱+Π型鋼梁”抬棚，初撐力不低于24 MPa。

(4)成巷穩(wěn)定區(qū)支護。架后200 m之后區(qū)域的頂板活動基本趨于穩(wěn)定，通過礦壓觀測數(shù)據(jù)，依次減少抬棚數(shù)量，確保沿空留巷在下一個工作面開采前的穩(wěn)定。

3 切頂留巷關鍵參數(shù)設計

結合地質(zhì)資料和鉆探、窺視成像情況，前期確定切頂深孔深度15 m(切入基本頂)，切縫線與鉛垂線夾角10°、距采空區(qū)側煤壁平均0.1 m(中線偏右2.2 m)，鉆孔直徑45 mm，間距0.8 m。隨著留巷進度的增加，又改變?yōu)榍许斏羁?5 m深，間距0.6 m，切頂淺孔6 m深，切縫線與鉛垂線夾角10°、距采空區(qū)側煤壁平均0.1 m(中線偏右2.2 m)，鉆孔直徑45 mm，間距0.6 m，切頂深孔和淺孔交替布置。沿空留巷切頂位置示意如圖7所示。

圖7 沿空留巷切頂位置示意Fig.7 Position of leaving the road along the goaf and cutting the roof

同時為驗證切頂爆破參數(shù)，設計初期對沿空留巷設置3個試驗區(qū)，其中：①試驗1區(qū)長度70 m，切頂眼間距0.8 m，孔深15 m，裝藥15節(jié)(3 kg)；②試驗2區(qū)長度30 m，切頂眼間距0.4 m，孔深分別15、6 m，深孔裝藥18節(jié)(3.6 kg)、淺孔不裝藥；③試驗3區(qū)長度30 m，切頂眼間距0.3 m，孔深分別為15、6 m，深孔裝藥18節(jié)(3.6 kg)、淺孔裝藥8節(jié)(1.6 kg)。試驗3區(qū)切頂爆破裝藥結構如圖8所示。

圖8 試驗3區(qū)切頂爆破裝藥結構示意Fig.8 Diagram of roof cutting blasting charge structure in experimental area 3

為驗證爆破效果，在預爆破完成后采用防爆鉆孔窺視儀觀察孔內(nèi)爆破效果，切頂預爆破效果對比如圖9所示。通過圖9可知：①試驗1區(qū)，當切頂深孔間距0.8 m，采用裝藥結構為5+5+5時，爆破孔內(nèi)壁裂縫細小無連續(xù)性，預裂率約為30%，并且在爆破孔底部沒有出現(xiàn)裂縫。②試驗2區(qū)，增加施工切頂淺孔，深孔和淺孔交替施工，間距0.4 m。為此加大炸藥量，切頂深孔調(diào)整裝藥結構為7+6+5，切頂淺孔不裝藥。此次爆破孔內(nèi)裂縫數(shù)量明顯增多，預裂率約為70%，但在距孔口3 m范圍內(nèi)，裂縫依然存在大量不連續(xù)的情況。③試驗3區(qū)，經(jīng)過再次調(diào)整，縮短切頂深孔淺孔的間距，由原來的0.4 m改為0.3 m，切頂深孔和淺孔交替。切頂深孔裝藥結構仍為7+6+5，切頂淺孔裝藥結構為4+2+2。爆破后孔內(nèi)裂縫連續(xù)且對稱，有很好的貫通效果，預裂率達到了90%，達到預期效果。

圖9 切頂預爆破前后效果Fig.9 Renderings before and after roof cut hole blasting

根據(jù)切頂卸壓自動成巷工程經(jīng)驗，確定15 m切頂眼內(nèi)裝藥段長度8.6 m，每孔炸藥18節(jié)，自上而下每部分藥卷數(shù)量為7節(jié)、6節(jié)、5節(jié)；6m孔裝藥長度3.8 m，每孔炸藥8節(jié)，自上而下每部分藥卷數(shù)量為4節(jié)、2節(jié)、2節(jié)，每部分2發(fā)雷管共6個，采用PVC半管裝藥，封孔長度5 m，一次起爆眼數(shù)8～16個深孔，8～16個淺孔，超前工作面不少于90 m。

4 應用效果

4.1 頂板變形量監(jiān)測

通過設置礦壓觀測站，通過“頂板壓力監(jiān)測、頂板離層觀測、巷道表面位移觀測”等綜合手段，分析應力變化和穩(wěn)定規(guī)律，并驗證留巷效果。

(1)頂板壓力分析。根據(jù)初步結果，采空區(qū)后方應力在距下端頭支架尾梁20～30 m開始升高，峰值在30～75 m，應力下降區(qū)域約在距下端頭支架尾梁75～90 m，應力穩(wěn)定區(qū)域則在90 m以后。

(2)頂板離層分析。留巷段進入30 m后，頂板出現(xiàn)離層，80 m后離層量達到峰值，深基點(深7 m)最大離層量85 mm，淺基點(深3.5 m)最大離層量10 mm。

(3)巷道位移分析。通過十字位移觀測法分析，留巷段進入70 m后，頂?shù)装迨湛s量達50～80 mm，留巷進入70～130 m，收縮量達260～320 mm；留巷進入130～180 m，收縮量達300～400 mm；留巷進入180 m后，位移量基本趨于穩(wěn)定，在此期間頂?shù)装逑鲁亮砍尸F(xiàn)切縫側比煤壁側下沉嚴重。

通過連續(xù)觀察，支架載荷和頂?shù)装逡平咳鐖D10所示，頂板離層和圍巖變化均在可控范圍之內(nèi)。

圖10 支架載荷和頂?shù)装逡平縁ig.10 Support load and roof and floor subsidence

4.2 現(xiàn)場留巷效果

11090工作面現(xiàn)場采用切頂留巷技術成功留巷700 m，目前留巷段巷寬4.5 m、巷高2.6 m，巷道未出現(xiàn)明顯變形，取得了預期效果?，F(xiàn)場巷道成型效果如圖11所示。

圖11 巷道成型效果Fig.11 Roadway forming effect

4.3 效益分析

(1)采用切頂留巷，縮短了工作面形成時間，緩解接替緊張問題，礦井實現(xiàn)“一井一面一煤巷”的生產(chǎn)布局。

(2)采用切頂留巷，不存在煤巷掘進實施區(qū)域防突措施問題，采空區(qū)積水可滲流到留巷內(nèi)疏排，消除掘進期間突出、瓦斯超限、透水等重大風險。

(3)采用切頂留巷，工作面可少掘1條煤巷，每米巷道節(jié)約掘進成本6 200元(留巷成本為3 100元/m)，不再留設沿空掘進護巷煤柱，每米多回收原煤20 t，約8 000元。

5 結論

(1)為避免出現(xiàn)生產(chǎn)接替緊張的情況，新義礦在11090綜采面應用了切頂留巷技術，系統(tǒng)介紹了該技術的應用原理及技術關鍵。通過頂板預爆破，將采空區(qū)頂板和留設巷道頂板之間造出裂縫，切斷采空區(qū)頂板上覆巖層的應力活動路徑，避免留設巷道圍巖受應力影響出現(xiàn)大量變形，采空區(qū)頂板在來壓后按照設計高度沿裂縫垮落，形成巷幫，從而達到無煤柱快速成巷的目的。

(2)采用理論計算及現(xiàn)場試驗等方法，確定切頂角度為15°、切頂深度為15 m和6 m。頂板每排打5根錨索，幫部每排打2根錨索加鋼帶支護，最優(yōu)裝藥結構為切頂深孔7+6+5，切頂淺孔為4+2+2、孔間距為300 mm等關鍵參數(shù)。

(3)在留設巷道穩(wěn)定后，對巷道頂?shù)装寮皟蓭偷奈灰屏窟M行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)巷道兩幫最大移近量為200 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?00 mm，巷道圍巖位整體較為穩(wěn)定，留設巷道能夠滿足工作面回采的使用需求。

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