段 超

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 生產(chǎn)技術(shù)部，山西 大同 037300)

1 工程概況

大斗溝煤礦主采2號煤層，煤層平均埋深490 m，煤層厚度 2.1～2.8 m，屬于中厚煤層，煤層傾角2～6°，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層直接頂為均厚4.8 m的泥質(zhì)粉砂巖，基本頂為均厚13.1 m的中粒砂巖，直接底為均厚10.5 m的泥質(zhì)粉砂巖，基本底為粉砂巖，平均厚度6.6 m。

8306綜采工作面位于三盤區(qū)東部，可采走向長度1 862 m，傾向長度180 m，工作面巷道設(shè)計規(guī)格為5.5 m×3.6 m，矩形斷面，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方式。為提高煤炭資源回收率并緩解采掘接替緊張的局面，決定在8306工作面膠運(yùn)巷道實(shí)施切頂卸壓沿空留巷技術(shù)，形成2條巷道進(jìn)風(fēng)，1條巷道回風(fēng)的Y型通風(fēng)系統(tǒng)。

2 切頂卸壓技術(shù)

2.1 工藝流程

切頂卸壓沿空留巷技術(shù)工藝流程如圖1所示。

在巷道補(bǔ)打恒阻大變形錨索，控制上覆巖層的變形下沉，提高頂板的自承載性，見圖1(a)；超前工作面一定距離在運(yùn)輸巷主幫上方頂板巖層打切縫孔，預(yù)裂爆破將巷道頂板與采空區(qū)側(cè)頂板的應(yīng)力傳遞切斷，使巷道處于低應(yīng)力區(qū)，見圖1(b)；隨著工作面的回采，采空區(qū)側(cè)頂板沿著切縫垮落，在擋矸支護(hù)的作用下垮落矸石及巖層形成巷幫，受回采動壓影響，留巷段需采用單體支柱進(jìn)行臨時補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，見圖1(c)。

圖1 切頂卸壓技術(shù)工藝流程

2.2 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

2.2.1 切頂高度

切頂高度計算方式見式(1)：

H縫=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(k-1)

(1)

式中：ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；k為巖層碎脹系數(shù)，1.3～1.5；

根據(jù)頂板巖性可知，直接頂為泥質(zhì)粉砂巖，碎脹系數(shù)為1.31，基本頂為中粒砂巖，碎脹系數(shù)為1.41，本設(shè)計k為1.36，在不考慮底鼓及頂板下沉的情況下，按工作面最大采高H煤為2.8 m計算得出切頂高度H縫=7.8 m。

2.2.2 切頂角度

合理的切頂角度應(yīng)使巷道采空區(qū)側(cè)頂板及時垮落的同時，還能保證巷道的穩(wěn)定性。

頂板定向預(yù)裂切縫鉆孔角度應(yīng)根據(jù)工作面采高確定，符合下列規(guī)定： 當(dāng)煤層采高≤1 m時，切頂角度為15～20°；當(dāng)煤層采高>1 m時，切頂角度應(yīng)為10～15°。8306綜采工作面煤層厚度為2.1～2.8 m，取切頂角度為15°。

3 工程實(shí)踐

3.1 補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)設(shè)計

1) 補(bǔ)強(qiáng)錨索長度設(shè)計。為防止巷道頂板在切頂及回采動壓影響下發(fā)生劇烈下沉，需通過恒阻補(bǔ)強(qiáng)錨索對基本頂進(jìn)行加固。其中，補(bǔ)強(qiáng)錨索長度計算見式(2)：

L=H切+(1.5～2.5)

(2)

式中：L為補(bǔ)強(qiáng)錨索長度，m；H切為切頂高度，m。

即補(bǔ)強(qiáng)錨索長度通常比切縫高度長1.5～2.5 m，基本切頂高度為7.8 m，本設(shè)計中補(bǔ)強(qiáng)錨索長度取10.3 m。

2) 補(bǔ)強(qiáng)錨索間排距設(shè)計。在巷道原支護(hù)的基礎(chǔ)上補(bǔ)打2排補(bǔ)強(qiáng)錨索，采用錯位形式布置。在距巷道主幫450 mm處布置第一排補(bǔ)強(qiáng)錨索，間距1 500 mm；在距巷道主幫1 450 mm處施工第二排補(bǔ)強(qiáng)錨索，間距3 000 mm。

3) 補(bǔ)強(qiáng)錨索連接及型號設(shè)計?？棵罕趥?cè)第一排補(bǔ)強(qiáng)錨索每相鄰3根補(bǔ)強(qiáng)錨索之間用長3 400 mm鋼帶連接，相鄰2條鋼帶搭接400 mm，以提高頂板的整體強(qiáng)度。此外，考慮到切縫參數(shù)及巷道原設(shè)計支護(hù)方式，設(shè)計補(bǔ)強(qiáng)錨索直徑取21.8 mm，長度取10 300 mm，設(shè)計錨固力520 kN,預(yù)緊力不小于290 kN，錨固段長度不小于1.2 m。

巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計如圖2所示。

圖2 補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)斷面(mm)

3.2 爆破參數(shù)

為了取得良好的預(yù)裂爆破效果，需在井下進(jìn)行現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，采用礦用D35 mm×180 mm的二級乳化炸藥，分別對炮孔裝藥量、炮孔間距及一次起爆數(shù)量進(jìn)行試驗(yàn)分析。根據(jù)礦井實(shí)際條件，選擇在距開切眼20～70 m范圍內(nèi)進(jìn)行單孔爆破及多孔聯(lián)動爆破試驗(yàn)，共分8段爆破，其中單孔爆破6段，每段5 m，共30 m，根據(jù)單孔爆破試驗(yàn)結(jié)果確定出合理的裝藥量和孔底封泥長度；在50～70 m范圍內(nèi)進(jìn)行多孔間隔聯(lián)動爆破試驗(yàn)，觀察起爆后相鄰爆破間的裂縫擴(kuò)展是否達(dá)標(biāo)，最終確定一次起爆炮孔數(shù)量為3個，炮孔間距500 mm，單孔裝藥量為2.8 kg，封泥長度2.7 m。爆破試驗(yàn)方案及炮孔裝藥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 炮孔參數(shù)設(shè)計和裝藥結(jié)構(gòu)示意(mm)

3.3 擋矸支護(hù)及臨時支護(hù)

3.3.1 擋矸支護(hù)

架后擋矸支護(hù)設(shè)計采用“單體液壓支柱+29U型鋼+鋼筋網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)形式。在液壓支架切頂線后0～290 m范圍內(nèi)。其中擋矸側(cè)單體液壓支柱間距、29U型鋼的間距均為500 mm，成組布置，并在采空區(qū)和29U型鋼之間鋪設(shè)菱形金屬網(wǎng)。

3.3.2 擋矸支護(hù)

工作面附近臨時支護(hù)劃分為3個區(qū)：超前支護(hù)區(qū)、架后臨時支護(hù)區(qū)、成巷穩(wěn)定區(qū)。超前支護(hù)、架后臨時支護(hù)如圖4所示。

圖4 巷道超前支護(hù)及架后支護(hù)示意(mm)

1) 超前支護(hù)區(qū)。工作面頭巷(沿空段)超前工作面10 m范圍內(nèi)，采用“一梁六柱”形式進(jìn)行支護(hù)，距工作面10～50 m范圍采用“一梁四柱”形式進(jìn)行支護(hù)，單體液壓支柱柱距根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)整，所有單體液壓支柱使用0.8 m π型頂梁，頂梁沿走向排列，配合使用防倒防墜裝置。

工作面尾巷超前工作面50 m，采用“三梁三柱”形式進(jìn)行支護(hù)，排距1 m，第一排距工作面煤壁1.1 m，使用0.8 m π型頂梁，頂梁沿巷道走向排列；第二排距第一排0.8 m，第三排距第二排2.6 m，距另一側(cè)煤壁0.7 m，使用0.8 m π型頂梁，頂梁垂直巷道走向排列，單體液壓支柱均配合使用防倒防墜裝置。

2) 架后臨時支護(hù)區(qū)。在工作面推進(jìn)過程中，尾巷沿空留巷段受到動壓影響，架后臨時支護(hù)區(qū)采用單體液壓支柱“四梁四柱”形式進(jìn)行支護(hù)，排距1 m，第一排距切頂線1.1 m，使用0.8 m π型頂梁，頂梁沿巷道走向排列；第二排距第一排0.8 m，第三排距第二排0.9 m，第四排距第三排1.7 m，距另一側(cè)煤壁0.7 m，使用0.8 m π型頂梁，頂梁垂直巷道走向排列，單體液壓支柱均配合使用防倒防墜裝置；架后臨時支護(hù)距離為290 m。

3) 成巷穩(wěn)定區(qū)。在回采過程中根據(jù)留巷段頂板情況及礦壓監(jiān)測情況決定臨時支護(hù)的回撤時間和回撤距離，成巷穩(wěn)定區(qū)為架后臨時支護(hù)區(qū)290 m之后，成巷穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)所有單體液壓支柱全部回撤。

4 應(yīng)用效果分析

在現(xiàn)場采用該技術(shù)后，頂板垮落及時，采空區(qū)充填較實(shí)，巷道整體較穩(wěn)定。為分析預(yù)裂切頂留巷的卸壓效果，沿工作面傾向?qū)⒅Ъ芊譃槿齻€部分，分別為切縫側(cè)支架、中部支架及未切縫側(cè)支架，每部分選取5臺支架監(jiān)測其工作阻力，監(jiān)測時長為28 d，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖5 工作面液壓支架最大工作阻力變化曲線

由圖5可知，工作面中部區(qū)域來壓強(qiáng)度較高，中部液壓支架工作阻力最大值為41.11 MPa，平均32.3 MPa；未切縫側(cè)支架最大工作阻力值為40.07 MPa，平均31.8 MPa，相對工作面中部來說，該區(qū)域來壓強(qiáng)度較??；切縫側(cè)支架的工作阻力最大值為35.5 MPa，平均27.9 MPa，該區(qū)域來壓強(qiáng)度最小，且切縫側(cè)支架最大工作阻力的平均值比未切縫側(cè)減小了12.3%.由此可知，切頂留巷技術(shù)的卸壓效果明顯，可以有效降低來壓強(qiáng)度。

5 結(jié) 語

1) 根據(jù)大斗溝煤礦8306綜采工作面的工程地質(zhì)條件，結(jié)合切頂卸壓技術(shù)原理，確定出合理的切頂高度為7.8 m，切頂角度為15°。

2) 通過井下現(xiàn)場試驗(yàn)確定出合理的爆破參數(shù)為：單次爆炮孔數(shù)量為3個，炮孔間距500 mm，單孔裝藥量為2.8 kg，封泥長度2.7 m。

3) 對巷道超前段及架后段的臨時支護(hù)進(jìn)行了設(shè)計。由現(xiàn)場觀測結(jié)果可知，實(shí)施該技術(shù)后，切縫側(cè)支架最大工作阻力的平均值比未切縫側(cè)減小了12.3%，卸壓效果明顯。