戎 鵬

（山煤國際能源集團股份有限公司，山西 太原 030006）

目前無煤柱開采技術主要有沿空留巷和沿空掘巷技術兩種。我國煤礦多采用留設窄煤柱進行沿空掘巷，此方式不但會浪費較多的煤炭資源，而且若煤柱寬度留設不合理，還會引起應力集中，導致沿空巷道難以維護。而沿空留巷技術是在工作面回采后利用上一個工作面巷道進行維護服務于下一個工作面，和沿空掘巷比較優(yōu)點較多?，F(xiàn)階段沿空留巷工藝主要分為構筑充填體留巷與切頂留巷。其中切頂留巷技術是對頂板巖層進行主動控制，及時切頂卸壓，有效降低高應力問題，為巷道提供安全穩(wěn)定的應力環(huán)境［1-3］。

鹿臺山礦為高瓦斯礦井，沿空掘巷很難滿足高效安全生產(chǎn)的要求。以鹿臺山礦2202工作面開采、為確保2202軌道順槽的穩(wěn)定工程研究對象，對切頂卸壓技術應用情況進行深入分析與探討。

1 工程概況

圖1 工作面位置

鹿臺山煤礦2202工作面開采2#煤層，位于礦井一水平二采區(qū)。工作面面長160 m，傾斜推進長1 300 m。工作面布置情況如圖1所示，2202工作面位于礦區(qū)東北部，北部為本采區(qū)礦界，南部為采區(qū)回風大巷、皮帶大巷、軌道大巷，西部為2203工作面，東部為2201工作面（正在回采）。2#煤層結構簡單，賦存穩(wěn)定，平均厚度為2.2 m。頂?shù)装鍘r層情況：頂板自下而上分別為灰黑色砂質泥巖，平均厚度為4.25 m，含植物化石；深灰色細粒砂巖，平均厚度為1.76 m，含黑色泥質斑塊；灰黑色泥巖，平均厚度為1.5 m；灰色細砂巖，平均厚度為3.81 m。底板自上而下為黑色砂質泥巖，平均厚度為3.54 m，局部含植物化石；深灰色細砂巖，平均厚度為4.7 m，以石英石為主，堅硬。

圖2 巷道支護

2202軌道巷布置在2#煤層中，斷面為寬4.4 m×高2.8 m矩形，掘進斷面積12.32 m2；呈南北向布置，沿煤層頂板掘進，巷道支護采用錨網(wǎng)索組合支護，支護斷面如圖2所示。

2 切頂卸壓分析

切頂卸壓沿空留巷技術即在工作面留巷近回采一側，對工作面頂板巖層進行超前預裂爆破，沿特定方向進行切頂，降低礦山壓力，優(yōu)化巷道所處應力環(huán)境。隨工作面推進不斷進行切頂卸壓，實現(xiàn)沿空留巷，保證巷道的穩(wěn)定。工作面推進過程中，根據(jù)巷道所處狀態(tài)，分為超前切頂區(qū)、滯后臨時支護區(qū)、成巷穩(wěn)定區(qū)，如圖3所示。

圖3 切頂卸壓沿空留巷支護分區(qū)

超前切頂區(qū)位于工作面推進最前方，在此區(qū)域內進行預裂爆破及頂板卸壓后，及時針對巷道頂板圍巖進行補強支護，補強支護應在工作面推進面經(jīng)過前完成，防止受到超前支承壓力的影響。工作面推進過程中，煤炭資源回采后，頂板沿預定的切頂線垮落至穩(wěn)定需要一段時間，此區(qū)域需針對頂板進行臨時支護和巷幫擋矸支護，該區(qū)域大多位于工作面后200 m范圍。成巷穩(wěn)定區(qū)位于工作面最后方，隨工作面的推進，巷道距離工作面較遠時，此時工作面頂板已垮落穩(wěn)定，對巷道影響較小，此區(qū)域只需巷幫擋矸支護即可，頂板臨時支護可以撤出［4-5］。

2202工作面軌道巷采用以“超前預裂切縫+頂板補強支護+巷幫擋矸防護+滯后臨時支護”為主體的方案設計：通過超前預裂爆破，將巷道頂板巖層與工作面頂板巖層進行分離，切斷聯(lián)系，降低工作面上方頂板巖層垮落對巷道影響的同時有利于采空區(qū)頂板沿切縫垮落形成巷幫；通過頂板補強支護，加固巷道頂板厚短懸臂梁結構，增加結構強度，保證巷道頂板穩(wěn)定，減少頂板下沉；通過巷幫擋矸支護防止采空區(qū)矸石涌入巷道，減少巷道兩幫變形；通過頂板臨時支護支撐頂?shù)装澹ＷC在工作面后方周期來壓期間巷道的穩(wěn)定性，減少滯后臨時支護區(qū)內頂?shù)装逡平?，確保留巷效果。根據(jù)上述思路，結合現(xiàn)場工程實際，擬定切頂卸壓設計方案。

3 切頂卸壓方案

3.1 超前預裂切縫

超前預裂切縫即在巷道和工作面頂板巖層之間進行預裂切縫卸壓，阻斷老頂之間的聯(lián)系，減小工作面采空區(qū)頂板巖層垮落對巷道的影響，切頂線如圖4、圖5所示。通過炮眼爆破進行切頂，進而實現(xiàn)頂板預裂切縫。

圖4 超前預裂切縫平面

圖5 超前預裂切縫剖面

3.2 鉆孔參數(shù)

（1）鉆孔位置。如圖6所示，鉆孔距離巷道回采側巷幫距離為S，根據(jù)切頂卸壓沿空留巷工程經(jīng)驗，距離S理論上應越小越好，但需考慮鉆機的工作空間等因素，結合鹿臺山煤礦2202軌道巷鉆孔設備型號，確定鉆孔與回采側巷幫距離S取200 mm。

（2）鉆孔傾角α、β。傾角α是指鉆孔方向與水平方向的夾角（巷道斷面圖中），β是指鉆孔方向與豎直方向夾角（巷道中線剖面圖中），如圖7所示。兩個角度均應考慮頂板鉆機施工、切縫效果、切頂后頂板懸露長度等因素，結合2202軌道巷頂板巖層條件，確定鉆孔α取90°，β取70°。

圖6 鉆孔位置

圖7 鉆孔傾角α、β

（3）切頂高度。影響沿空留巷穩(wěn)定性的有采空區(qū)巷道上方頂板殘留邊界及工作面端頭后方“弧形三角板”等兩個主要因素，兩因素控制條件均位于煤層上方基本頂細粒砂巖中。因此確定2202軌道巷切頂卸壓切縫高度應達到細粒砂巖上方。根據(jù)煤層頂板巖層厚度及巖性，確定切頂高度為4.25 m的砂質泥巖+1.76 m的細粒砂巖+1.50 m的泥巖+3.81 m的細粒砂巖的總厚度，總高度為11.32 m。

（4）鉆孔深度。如圖7所示，預裂切縫鉆孔深度應結合工作面頂板巖層條件，由前面分析可知，通過預裂爆破需將工作面上方細粒砂巖完全切斷，進而減小頂板垮落對沿空留巷的擾動作用。

鉆孔深度H可通過如下臨界公式計算：

式中：0.1為切縫鉆孔穿透基本頂細粒砂巖厚度，取0.1 m；α為鉆孔與豎直方向的夾角，取90°；β為鉆孔與豎直方向的夾角，取70°；H0為切頂高度，取11.32 m。

代入計算可得，鉆孔深度為12.2 m。

（5）鉆孔直徑和鉆孔間距。根據(jù)工程經(jīng)驗，鉆孔直徑越小，對周圍巖石破壞程度越小，更容易控制預裂鉆孔長度及形狀。根據(jù)鹿臺山礦所選鉆機及鉆頭設備型號，結合2202工作面頂板巖層厚度及巖性，以及相似工作面工程經(jīng)驗，確定鉆孔直徑取50 mm，間距取500 mm。

3.3 裝藥

結合鹿臺山煤礦工程經(jīng)驗，選用礦用三級乳化炸藥，炸藥直徑?=32 mm，長l=200 mm，重量m=200 g；裝藥段長度8 m，封孔段長度4.2 m，裝藥量2.4 kg。

4 補強支護方案

根據(jù)以往補強支護工程經(jīng)驗，結合2202軌道順槽頂板巖層分布情況，設計采用“主動支護+被動支護”的組合補強支護方案。主動支護為錨索補強支護，被動支護為巷道π型梁棚支護。設計在原有支護方式條件下，補打預應力錨索，如圖8、圖9所示。錨索直徑為21.6 mm，長度為10.3 m，每排設置1根錨索，排距為1 m，錨索距煤柱側幫3.7 m，距回采側幫0.7 m，錨索錨固段應保證至少插入基本頂細粒砂巖2/3處。被動支護采用在巷道走向布置π型梁棚，采用π型梁，長1.2 m，“一梁兩柱”布置，單體柱間距0.6 m，所有單體液壓支柱加穿鐵鞋，初撐力不小于100 kN，如圖9所示。

圖8 補強支護剖面

圖9 補強支護平面

5 工程實踐

2202軌道順槽工程實踐采用補強沿空留巷支護方案。在現(xiàn)場試驗情況為：在2202軌道順槽分別進行超前預裂切頂、錨索補強支護；同時對頂板離層情況進行觀測，頂板離層值最大為345 mm，出現(xiàn)在950 m處，主要因構造導致，其他數(shù)值基本控制在300 mm內，頂板離層量結果符合設計要求。

6 結論

通過在鹿臺山煤礦2202工作面2202軌道順槽的工程實踐，切頂卸壓與沿空留巷技術應用取得了良好效果，主要體現(xiàn)在：

1）有效解決了鹿臺山礦當前面臨采掘接替緊張、采出率低、巷道支護困難和巷道掘進成本偏高等問題。

2）切頂卸壓鉆孔爆破技術參數(shù)比較合理，順槽補強支護方式效果顯著。