综采工作面切顶卸压留巷技术研究

李军军

（汾西矿业高阳煤矿，山西 孝义 032300）

随着矿井采掘深度增加，煤层赋存条件更趋复杂，采取传统的护巷煤柱方式保护回采巷道容易在煤柱内产生应力集中，导致巷道变形量大，严重时甚至导致冲击地压事故发生；随着采深增加护巷煤柱宽度也不断增加，也会进一步降低煤炭采收率。沿空留巷技术由于无护巷煤柱且采面新掘进一条巷道即可形成联通的通风系统，可显著提升煤炭回采效率[1-3]。为此，众多的研究学者对沿空留巷技术展开研究，并在围岩变形规律、沿空留巷工艺以及围岩变形控制技术方面取得显著成果。沿空留巷采取巷旁充填方式对围岩进行控制，充填体在集中应力作用下往往出现较大变形，后期维护成本高昂等问题[4-6]。为此，文中结合山西某矿3305综采工作面地质现状，提出采用切顶卸压留巷技术，并对应用效果进行分析，以期能在一定程度上提升矿井生产效率。

1 工程概况

3305综采工作面形状为不规则的长方形，采面斜长175 m，上部回风巷、下部运输巷长度分别为2 869 m、2 751 m。开采的3号煤厚度4.06 m，倾角3°~6°。决定在3305回风巷采用切顶留巷技术保留下来作为邻近的3307综采工作面运输巷。

3305回风巷直接顶为厚度14.3 m粉砂岩，基本顶为厚度32.3 m粗砂岩；直接底为5.1 m细砂岩。巷道断面为梯形（净断面16 m2），围岩采用锚网索支护方式控制。

2 切顶卸压留巷

3305回风巷切顶卸压留巷涉及到的关键技术包括有留巷前的顶板支护加固、切顶卸压、煤层坚硬顶板弱化（实现顶板及时垮落，从而降低来压强度以及留巷段围岩控制难度）。文中就重点对上述关键技术参数进行阐述。

2.1 恒阻锚索补强加固

为确保留巷期间（采面回采以及顶板来压期间）3305回风巷顶板稳定，采用恒阻锚索对回风巷顶板进行补强。为了充分发挥恒阻锚索顶板支护能力，并避免后续的切顶卸压爆破、顶板垮落给补强支护造成不利影响，恒阻锚索长度较切缝高度高2.0 m以上，并确保恒阻锚索锚固端位于稳定的岩层中。在对巷道原支护方式、围岩岩性以及其他矿井沿空留巷工艺分析基础上，将顶板补强加固用的恒阻锚索长度设计为12.3 m。

在3305回风巷上共布置2排恒阻锚索（Φ21.8 mm×12 300 mm），第一排距回采帮500 mm（距切顶钻孔400 mm），间距1 000 mm，锚索间用W钢带连接（3 000 mm×300 mm×5 mm）；第二排沿巷道中线布置，间距2000mm，具体恒阻锚索布置见下页图1所示。

图1 3305回风巷恒阻锚索布置示意图（mm）

2.2 切顶卸压

回风巷切顶卸压留巷段采取双向聚能爆破技术进行切顶，从而切顶采空区顶板与留巷段顶板间的应力传递路径。双向聚能爆破后围岩在特定方向受到爆破冲击而产生连通的缝隙。

切顶钻孔孔深与顶板下沉量、底板底鼓量以及采高等参数相关，具体可通过下述公式计算：

式中：ΔH煤煤为采面采高，取值4.0 m；ΔH1、ΔH2分别为顶、底板变形量，分别取值40 mm、20 mm；K为顶板垮落岩层碎胀系系数，取值1.4。

将上述参数带入公式（1）即可求得H缝=10.0 m。切顶卸压钻孔与回采巷间距为100 mm，外插15°角，钻孔间隔设计为500 mm。

切顶卸压采用的双向聚能管内径36.5 mm、外径42mm，长1500mm，管内装炸药（规格为Φ32mm×200 mm）。切顶爆破孔封孔深度为2.0 m，采用水炮泥封孔。切顶钻孔在超前工作面50 m以上施工。

在现场应用时应进行单孔实验从而确定合理的封孔长度以及乳化炸药装入量；后采取间隔爆破对邻近钻孔切顶卸压爆破效果进行考察。当钻孔间存在有连通的切顶裂缝时，则认为切顶卸压设计参数可满足现场需要。

2.3 坚硬顶板松动弱化技术方案

由于3305回风巷上覆顶板岩层坚硬，采面回采后顶板垮落困难，为了确保采面回采后顶板岩层及时垮落并降低留巷段围岩应力，提出在原有巷道切顶卸压钻孔侧布置深孔爆破钻孔，对顶板坚硬岩层进行松动弱化。

在回风巷内将2个松动爆破孔设计为1组，钻孔孔深分别为11 m、14 m，外插较分别为30°、45°，组间的两个钻孔间距为2.0 m；邻近的两组爆破孔间距均为5.0 m。顶板弱化钻孔采用型号ZDY1900S钻机施工，钻孔孔径设计为94 mm。

弱化钻孔内装入3 000 mm炸药，为了确保爆破安全以及顶板弱化效果，弱化钻孔封孔长度设计为6.0 m。现场施工时依据顶板弱化效果对钻孔施工参数进行调整。

3 现场应用效果分析

在3305回风巷应用切顶卸压留巷技术后，显著缓解矿井采掘接替紧张局面，同时可多回收30 m的煤柱，矿井少掘1条回采巷道。现场切顶卸压留巷段长度为1 000 m，煤巷掘进按照4 000元/m成本，矿井可减少巷道掘进投入约400万元。

切顶卸压留巷技术为留巷巷道创造了良好的围岩应力条件，围岩变形控制难度得以明显降低。现场对围岩变形量进行监测，发现留巷段顶底板最大变形量为120 mm，围岩变形量不会给巷道使用带来显著威胁。

4 结语

1）切顶卸压留巷技术可降低巷道掘进工程量、取消护巷煤柱（宽度30 m），可明显提升采面煤炭回收率。在回风巷内采用深度预裂爆破方式对3号煤层坚硬顶板进行弱化，顶板在采空区内悬空长度明显降低，可明显降低留巷段以及采面动压，提高采面煤炭开采安全性。

2）根据3305回风巷顶板岩性、巷道支护参数以及矿井现有设备配备情况，对切顶卸压留巷技术中的留巷段恒阻锚索支护参数、切顶卸压爆破钻孔布置参数等关键环节进行设计。现场应用后，留巷段顶底板变形量最大为120 mm，取得较为明显的围岩控制效果。