超前切顶卸压技术在沿空掘巷中的应用

李普光

（潞安集团漳村煤矿，山西 长治 046000）

矿井在进行工作面布置时，经常以沿空掘巷方式掘进，在沿空侧留设一定的保护煤柱。一般情况下采空区顶板垮落下沉至稳定需要6 个月的周期，影响工作面的生产接替[1-2]。煤柱留设尺寸较大时，巷道支护效果好，但会造成资源浪费，煤柱留设过小，会造成巷道应力集中，围岩变形。超前切顶卸压技术是指在工作面回采期间，通过对工作面前方顶板采用定向爆破的方式使顶板在一定范围内与临近采空区顶板之间沿工作面走向断开，形成裂缝，工作面在回采过程中，顶板可以随着工作面的推进及时与采空区顶板脱离，切断采空区顶板应力对工作面回采造成影响，在小煤柱留设的工作面中可以有效改善巷道围岩的应力状态，提高工作面顶板的承压能力[3]。另外，超前切顶卸压技术使采空区顶板沿裂缝垮落速度加快，减少采空区垮落对工作面顶板影响的时间，巷道支护难度以及维护成本大幅降低。漳村煤矿根据实际条件提出了采用留设小煤柱、超前切顶卸压技术对沿空掘巷顶板进行超前切顶。

1 工程概况

2603 工作面所处水平为+480 m 水平，主采3#煤层，煤层结构简单。主要控制构造为向斜构造，位于工作面中部，轴部和倾伏端方向为西南向，向斜两翼呈4°～6°坡，工作面呈两侧高中间低的盆地状分布，平均高差±30 m。2603 工作面临近2601 采空区布置，2603 进风巷为沿空掘巷，与2601 工作面回风巷平行，两巷断面均为矩形，2603进风巷矩形断面宽5.6 m，高3.8 m，2601 回风巷矩形断面宽5.2 m，高3.5 m，两巷间留设煤柱宽5 m。

2 切顶卸压方案参数

2.1 切顶高度

2603 工作面进风巷小煤柱留设切顶高度可由公式（1）计算得出：

式中：Hm为切顶高度，m；hi为顶板分层厚度；M 为最大采高，m；Kp为顶板矸石碎胀系数，这里取值1.2。

根据公式（1）计算可得，切顶高度Hm结果为15 m。由于基本顶较厚，为了保证切顶一次成功，确定最终切顶高度为20 m。

2.2 切顶角度

为能够使切顶卸压效果达到最优，采用了3DEC离散元数值模拟计算软件对不同切顶角度下工作面顶板围岩卸压效果进行模拟。根据工作面围岩破碎变形原理以及现场地质条件，分别研究切顶角度在-10°、-5°、0°、5°、10°、15°时的切顶情况。

工作面顶板围岩垂直应力监测曲线如图1。由图1 可知，采空区基本顶在切顶位置出现应力曲线骤降的现象，说明超前切顶卸压能够使基本顶应力承压连续断开，使之无法传递，此时基本顶岩层整体断开，横向长度缩短，部分断裂后的矸石因碎胀现象对采空区下沉的基本顶产生支撑作用[4-5]。图1中-10°、-5°、0°切顶角度的采空区顶板垂直应力主要分布于2601 回风巷左侧区域，在进行切顶作业时，基本顶上覆岩层水平结构形成，顶板垮落难度较大；以5°、10°、15°进行切顶卸压时，发现基本顶承受应力随切顶角度增大而增大，基本顶垮落速度也会随之加快。切顶角度为15°时，虽然基本顶垮落速度加快，但是基本顶承受应力过大，对保护煤柱产生影响，降低巷道稳定性；切顶角度为5°和10°时，基本顶垂直应力曲线基本相同，基本顶的垮落时间及速度存在一定差异；10°切顶时，能够使卸压效果最优，更加有利于采空区顶板上覆岩层沿裂缝断开垮落。

图1 切顶角度对上覆岩层应力影响曲线

2.3 爆破切顶参数

（1）炮孔间距。通过现场爆破实验，确定超前切顶卸压定向爆破炮孔间距为2 m。

（2）爆破超前距。为能够在不影响工作面采掘活动的情况下实现超前切顶的效果，使采空区顶板上覆岩层在承压时顺利垮落，因此，对2601 采空区回采完成后初次来压影响范围以及周期性来压时间进行分析，同时协调炮孔钻进及炮破作业与工作面采掘生产，最终确定切顶卸压的爆破超前距为30 m，确保采空区顶板上覆岩层能够在承压时沿爆破裂缝垮落，保护工作面顶板围岩的受压环境。爆破钻孔布置示意如图2。

图2 爆破钻孔布置示意

3 顶板超前支护

在进行超前切顶卸压时，对巷道顶板进行加强支护，确保巷道围岩的稳定性，采用锚索+悬吊梁的支护结构进行超前支护。选择规格为Φ22 mm×9300 mm 的预应力锚索，材质为钢绞线，具有高强度、低松弛等优点，打设排距为1.8 m，锚索托盘为300 mm×300 mm×16 mm 的平板型托盘；悬吊梁选择长度为3.5 m 的工字钢梁，两端各布置1个锚索孔，间距1.8 m。为能够达到超前支护的目的，在采空区侧巷道沿巷道走向，距保护煤柱0.5 m 位置进行加强支护。顶板超前支护布置如图3。

图3 顶板超前支护布置图

4 超前切顶卸压效果

为验证超前切顶卸压的实施效果，在完成爆破作业后，对工作面超前30 m 范围内进行钻探及孔内窥视观察，孔内窥视效果如图4。孔内两侧内壁可明显看到有贯穿性裂缝，效果良好。超前切顶卸压技术应用以来，2603 进风巷的巷道围岩变形情况

得到了改善，冒顶、片帮及底鼓现象明显减少，还为矿井节约大量巷道维护投入，节省人力物力，同时提高工作面掘进生产的安全性及稳定性。

图4 现场定向预裂爆破效果窥视

5 结语

漳村煤矿在2603 工作面进风巷沿空掘巷期间，在2601 回风巷进行了超前定向爆破断顶，使2603工作面与2601 采空区顶板岩层断开形成裂缝，减少了沿空掘巷保护煤柱上覆岩层的应力集中，使巷道围岩破碎变形现象得到有效控制。该技术可以有效解决小煤柱留设沿空掘巷巷道变形严重的问题，在同类型矿井中具有较高的推广价值。