李普光

（潞安集團漳村煤礦，山西 長治 046000）

礦井在進行工作面布置時，經(jīng)常以沿空掘巷方式掘進，在沿空側(cè)留設(shè)一定的保護煤柱。一般情況下采空區(qū)頂板垮落下沉至穩(wěn)定需要6 個月的周期，影響工作面的生產(chǎn)接替[1-2]。煤柱留設(shè)尺寸較大時，巷道支護效果好，但會造成資源浪費，煤柱留設(shè)過小，會造成巷道應(yīng)力集中，圍巖變形。超前切頂卸壓技術(shù)是指在工作面回采期間，通過對工作面前方頂板采用定向爆破的方式使頂板在一定范圍內(nèi)與臨近采空區(qū)頂板之間沿工作面走向斷開，形成裂縫，工作面在回采過程中，頂板可以隨著工作面的推進及時與采空區(qū)頂板脫離，切斷采空區(qū)頂板應(yīng)力對工作面回采造成影響，在小煤柱留設(shè)的工作面中可以有效改善巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高工作面頂板的承壓能力[3]。另外，超前切頂卸壓技術(shù)使采空區(qū)頂板沿裂縫垮落速度加快，減少采空區(qū)垮落對工作面頂板影響的時間，巷道支護難度以及維護成本大幅降低。漳村煤礦根據(jù)實際條件提出了采用留設(shè)小煤柱、超前切頂卸壓技術(shù)對沿空掘巷頂板進行超前切頂。

1 工程概況

2603 工作面所處水平為+480 m 水平，主采3#煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單。主要控制構(gòu)造為向斜構(gòu)造，位于工作面中部，軸部和傾伏端方向為西南向，向斜兩翼呈4°～6°坡，工作面呈兩側(cè)高中間低的盆地狀分布，平均高差±30 m。2603 工作面臨近2601 采空區(qū)布置，2603 進風(fēng)巷為沿空掘巷，與2601 工作面回風(fēng)巷平行，兩巷斷面均為矩形，2603進風(fēng)巷矩形斷面寬5.6 m，高3.8 m，2601 回風(fēng)巷矩形斷面寬5.2 m，高3.5 m，兩巷間留設(shè)煤柱寬5 m。

2 切頂卸壓方案參數(shù)

2.1 切頂高度

2603 工作面進風(fēng)巷小煤柱留設(shè)切頂高度可由公式（1）計算得出：

式中：Hm為切頂高度，m；hi為頂板分層厚度；M 為最大采高，m；Kp為頂板矸石碎脹系數(shù)，這里取值1.2。

根據(jù)公式（1）計算可得，切頂高度Hm結(jié)果為15 m。由于基本頂較厚，為了保證切頂一次成功，確定最終切頂高度為20 m。

2.2 切頂角度

為能夠使切頂卸壓效果達到最優(yōu)，采用了3DEC離散元數(shù)值模擬計算軟件對不同切頂角度下工作面頂板圍巖卸壓效果進行模擬。根據(jù)工作面圍巖破碎變形原理以及現(xiàn)場地質(zhì)條件，分別研究切頂角度在-10°、-5°、0°、5°、10°、15°時的切頂情況。

工作面頂板圍巖垂直應(yīng)力監(jiān)測曲線如圖1。由圖1 可知，采空區(qū)基本頂在切頂位置出現(xiàn)應(yīng)力曲線驟降的現(xiàn)象，說明超前切頂卸壓能夠使基本頂應(yīng)力承壓連續(xù)斷開，使之無法傳遞，此時基本頂巖層整體斷開，橫向長度縮短，部分斷裂后的矸石因碎脹現(xiàn)象對采空區(qū)下沉的基本頂產(chǎn)生支撐作用[4-5]。圖1中-10°、-5°、0°切頂角度的采空區(qū)頂板垂直應(yīng)力主要分布于2601 回風(fēng)巷左側(cè)區(qū)域，在進行切頂作業(yè)時，基本頂上覆巖層水平結(jié)構(gòu)形成，頂板垮落難度較大；以5°、10°、15°進行切頂卸壓時，發(fā)現(xiàn)基本頂承受應(yīng)力隨切頂角度增大而增大，基本頂垮落速度也會隨之加快。切頂角度為15°時，雖然基本頂垮落速度加快，但是基本頂承受應(yīng)力過大，對保護煤柱產(chǎn)生影響，降低巷道穩(wěn)定性；切頂角度為5°和10°時，基本頂垂直應(yīng)力曲線基本相同，基本頂?shù)目迓鋾r間及速度存在一定差異；10°切頂時，能夠使卸壓效果最優(yōu)，更加有利于采空區(qū)頂板上覆巖層沿裂縫斷開垮落。

圖1 切頂角度對上覆巖層應(yīng)力影響曲線

2.3 爆破切頂參數(shù)

（1）炮孔間距。通過現(xiàn)場爆破實驗，確定超前切頂卸壓定向爆破炮孔間距為2 m。

（2）爆破超前距。為能夠在不影響工作面采掘活動的情況下實現(xiàn)超前切頂?shù)男Ч?，使采空區(qū)頂板上覆巖層在承壓時順利垮落，因此，對2601 采空區(qū)回采完成后初次來壓影響范圍以及周期性來壓時間進行分析，同時協(xié)調(diào)炮孔鉆進及炮破作業(yè)與工作面采掘生產(chǎn)，最終確定切頂卸壓的爆破超前距為30 m，確保采空區(qū)頂板上覆巖層能夠在承壓時沿爆破裂縫垮落，保護工作面頂板圍巖的受壓環(huán)境。爆破鉆孔布置示意如圖2。

圖2 爆破鉆孔布置示意

3 頂板超前支護

在進行超前切頂卸壓時，對巷道頂板進行加強支護，確保巷道圍巖的穩(wěn)定性，采用錨索+懸吊梁的支護結(jié)構(gòu)進行超前支護。選擇規(guī)格為Φ22 mm×9300 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，材質(zhì)為鋼絞線，具有高強度、低松弛等優(yōu)點，打設(shè)排距為1.8 m，錨索托盤為300 mm×300 mm×16 mm 的平板型托盤；懸吊梁選擇長度為3.5 m 的工字鋼梁，兩端各布置1個錨索孔，間距1.8 m。為能夠達到超前支護的目的，在采空區(qū)側(cè)巷道沿巷道走向，距保護煤柱0.5 m 位置進行加強支護。頂板超前支護布置如圖3。

圖3 頂板超前支護布置圖

4 超前切頂卸壓效果

為驗證超前切頂卸壓的實施效果，在完成爆破作業(yè)后，對工作面超前30 m 范圍內(nèi)進行鉆探及孔內(nèi)窺視觀察，孔內(nèi)窺視效果如圖4?？變?nèi)兩側(cè)內(nèi)壁可明顯看到有貫穿性裂縫，效果良好。超前切頂卸壓技術(shù)應(yīng)用以來，2603 進風(fēng)巷的巷道圍巖變形情況

得到了改善，冒頂、片幫及底鼓現(xiàn)象明顯減少，還為礦井節(jié)約大量巷道維護投入，節(jié)省人力物力，同時提高工作面掘進生產(chǎn)的安全性及穩(wěn)定性。

圖4 現(xiàn)場定向預(yù)裂爆破效果窺視

5 結(jié)語

漳村煤礦在2603 工作面進風(fēng)巷沿空掘巷期間，在2601 回風(fēng)巷進行了超前定向爆破斷頂，使2603工作面與2601 采空區(qū)頂板巖層斷開形成裂縫，減少了沿空掘巷保護煤柱上覆巖層的應(yīng)力集中，使巷道圍巖破碎變形現(xiàn)象得到有效控制。該技術(shù)可以有效解決小煤柱留設(shè)沿空掘巷巷道變形嚴重的問題，在同類型礦井中具有較高的推廣價值。