切顶留巷技术在深部中厚煤层中的应用

张宏升

（西山煤电集团有限责任公司官地矿，山西 太原 030053）

我国煤炭资源的开采主要为长壁开采，利用护巷煤柱来提升巷道的稳定性，但由于煤炭资源储量日益减少，我国需要采用一种全新的无煤柱开采技术来减小煤炭资源的损耗，因此沿空留巷技术对提升煤炭资源的开采率具有重要意义。但传统的沿空留巷技术存在许多弊端，由于沿空留巷技术无法改变巷道的应力分布，当采动较为剧烈时极易造成留巷的失败，沿空留巷利用充填体对巷道覆岩进行支护，此时巷道的支护难度较大，极易造成充填体的应力集中，此外充填体的造价较高，使得沿空留巷成本增加，所以对沿空留巷技术进行研究是十分重要的，此前众多学者对此进行过一定的研究[1]。本文西山煤电集团有限责任公司官地矿（全文简称官地矿）13601工作面为研究对象，对中厚煤层切顶成巷技术进行研究，为中厚煤层无煤柱开采提供一定的参考，为提升矿山经济做出一定的贡献。

1 矿井概况

官地矿位于位于西山煤田东南部，距离太原市中心17.5 km，井田面积104.5 km2，矿井年核定生产能力为390万t，主要开采8号煤层，采用平峒—斜井联合开拓方式。矿井绝对瓦斯涌出量1.30 m3/min，相对瓦斯涌出量0.8 m3/min。2号、8号煤层均具有爆炸危险性，属Ⅱ类自燃煤层；矿井正常涌水量为10 m3/h，最大涌水量为20 m3/h；水文地质类型为中等。

2 切顶卸压护巷原理

切顶成巷技术是指在相邻工作面间不设立护巷煤柱，而是通过随采随留的方式进行护巷，留设的巷道用于下个工作面的回采。同时在回采顶板进行沿走向的预裂爆破，将巷道顶板与采空区顶板间的应力传递切断，保证巷道的应力环境。切顶成巷原理图如1所示。

图1 切顶成巷原理图

切顶成巷的关键理论为切顶短壁梁理论，在工作面进行回采过程中利用恒阻锚索对巷道顶板进行支护，同时沿着回采侧的顶板进行沿走向的爆破预裂，使得直接顶形成爆破裂隙面，有效切断应力的传递，从而降低回采巷道的应力环境。当回采进行过程中预裂顶板及时发生垮落，垮落的矸石及时对采空区进行填充，为了保证填充的质量，需要对垮落的矸石进行控制，从而成功留巷。

中厚煤层的切顶卸压包括四个阶段：第一阶段在超前30 m的范围内出现顶板的初始运动，受到超前应力的影响顶板出现一定下沉；第二阶段在超前60 m的范围内顶板发生剧烈的运动，此时采空区的矸石进行垮落充填，巷道基本顶岩梁断裂；第三阶段在滞后工作面约60～160 m的位置，顶板发生缓慢运动，覆岩和基本顶发生一定沉降，矸石压实；第四阶段为滞后160 m以上，此时顶板基本稳定，不发生变形。

中厚煤层在切顶的初期由于顶板的剧烈运动，采空未得到充分的充填，采空区对覆岩的支撑力仍然较小，所以为了降低巷道围岩的稳定性，必须对顶板进行临时支护。在中厚煤层开采时，由于采动应力较大，使用单体液压支柱进行支护时不能满足巷道控顶的要求，所以选用液压支架进行临时支护，个别地段可以适应一梁两柱的支护方式进行补强[3]。

为了对巷道回采后顶板岩层的运移情况进行研究，本文利用数值模拟软件对基本顶及上覆岩层切缝位置、煤柱侧及工作面的中部分别布置3个监测点，分别监测其围岩的运动情况，巷道垂直位移曲线如图2所示。

图2 监测点位移曲线

从图2-1基本顶监测点位移曲线可以看出，切缝位置、煤柱侧及工作面中部岩石的下沉曲线大致呈现出两段跳跃的增长，分别再是时间270~330 min及880~950 min。曲线的增长趋势为指数增长，第一个时间段内岩层的下降呈现缓慢上升的趋势，此阶段开采扰动对岩石的影响较小，当时间段进入第二阶段时，此阶段内下降曲线随时间的增长快速增加，工作面受到的开采扰动使得该层位岩石出现明显的下降趋势。观察覆岩监测点的位移曲线可以看出，此时覆岩的下沉曲线呈现出S型分布，此阶段岩石的下降趋势呈现三个阶段，分别为第一阶段岩层稳定，无明显下降；第二阶段岩层开始小幅度下降，岩石稳定性降低，岩层出现明显的运动；第三阶段岩石运动显著，此阶段内岩石缓慢下降，曲线呈现缓慢上升[4]。

3 监测分析

为了对中厚煤层切顶成巷效果进行研究，对切顶成巷矿压显现情况进行监测，通过现场监测确定合适的支护参数。主要对巷道的顶板离层情况及和支护锚索的应力进行研究，如图3为三个区段内顶板的下沉监测曲线。

图3 三个区段内顶板的下沉监测曲线

从图3可以看出，当在上软下硬型顶板区段时，顶板的下沉量随着滞后工作面距离的增大呈现先增大后平稳的趋势，在滞后工作面110 m以内时，此时的顶板下沉量快速增大，在滞后工作面距离110 m以后，顶板的下沉量趋于稳定，此时巷道的顶板下沉量最大值为250 mm。当在破碎复合型顶板区段时，顶板的下沉量随着滞后工作面距离的增大同样呈现先增大后平稳的趋势，在滞后工作面160 m以内时，此时的顶板下沉量快速增大，在滞后工作面距离160 m以后，顶板的下沉量趋于稳定，此时巷道的顶板下沉量最大值为276 mm。当在完整复合型顶板区段时，顶板的下沉量随着滞后工作面距离的增大呈现先增大后平稳的趋势，在滞后工作面80 m以内时，此时的顶板下沉量快速增大，在滞后工作面距离80 m以后，顶板的下沉量趋于稳定，此时巷道的顶板下沉量最大值为176 mm。可以看出破碎复合顶板下沉量最大值大于上软下硬岩层顶板，完整复合型顶板的下沉量最小[5]。恒阻锚索受力曲线如图4所示。

图4 恒阻锚索受力曲线

从图4可以看出，在超前工作面33 m的位置恒阻锚索开始受力，随着距离工作面距离的减小，恒阻锚索受力快速增大，增大至325 kN。在滞后工作面253 m时恒阻锚索受力出现一定的波动，基本顶发生周期性断裂，断裂后受力呈现下降，当滞后工作面1 603 m后，顶板达到稳定，此时的恒阻锚索受力逐步趋于稳定，恒阻锚索抗冲能力较强，较好的保证工作面稳定。

4 结论

1）对中厚煤层切顶成巷的原理进行一定的分析，给出了中厚煤层的切顶卸压过程中顶板运动的四个阶段。在上软下硬型顶板区段、破碎复合型顶板区段、完整复合型顶板区段时，顶板的下沉量随着滞后工作面距离的增大呈现先增大后平稳的趋势，且破碎复合顶板下沉量最大值大于上软下硬岩层顶板，完整复合型顶板的下沉量最小。

2）通过恒阻锚索受力进行分析发现，恒阻锚索抗冲能力较强，能够有效的吸收一部分冲击能量，较好的保证工作面稳定。