切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术的应用

高 尚

(西山煤电股份有限公司 马兰矿，山西 太原 030205)

实现煤矿可持续发展的关键在于合理开采，利用现有煤炭资源，提高资源回采率。“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”是回采工作面巷道支护技术的一项重大革新，是实现无煤柱开采的主要技术措施之一，技术经济优势明显，符合绿色采矿、科学采矿的发展思路，在理论和实用价值层面促进了无煤柱技术的发展。为此分析了自动成巷无煤柱开采技术的应用研究成果，探讨了该技术的发展方向，可为降低掘进率及生产成本，提高工效，解决采煤工作面衔接紧张的局面提供借鉴。

1 工作面概况

西山煤电股份有限公司马兰矿12605工作面位于南六采区集中皮带巷东南侧，工作面东北侧为12603工作面，与本工作面相距23 m，西南侧为未开采区域，切眼东南侧为采区边界。

12605工作面属南六采区2#煤层，正巷设计长度为931 m，切眼设计长度为220 m，均采用矩形断面。巷道跟顶跟底掘进，坡度4°～9°，工作面基本情况见表1.

12607工作面目前已推进50 m，此处为切顶卸压无煤柱留巷段起始位置，留巷段切顶卸压施工终点位置即为停采线位置，设计留巷段为700 m.

表1 12605工作面基本情况表

2 切顶卸压技术

切顶卸压预裂切缝技术应用了聚能效应，利用岩石的抗压怕拉特征。进行爆破时，使岩石朝着特定的方向爆破，以实现定向爆破效果。此种爆破技术是综合了聚能爆破、定向爆破等多种爆破方法，逐步发展而形成的一项爆破技术，该技术施工工艺较为简单，易于操作，在操作时只需要预先施工好爆破孔，然后双向装药，并使聚能方向对应于岩体预裂方向。在此过程中设定好方向，使爆破时在此方向上形成聚能流，并产生张拉应力，使预裂孔能够沿着能聚的方向进行，这样既能节约炸药能耗，也能对岩石起到保护作用。

根据该矿以往切顶卸压留巷经验，合理预裂切缝深度(H缝)设计一般大于2.5倍采高，即H缝≥2.5H煤.

另外，预裂切缝钻孔深度与采高、顶板下沉量及底鼓量有关，一般通过如下公式确定：

H缝=(H煤-ΔH1-ΔH2)/(k-1)

式中：

ΔH1—顶板下沉量，m；

ΔH2—底鼓量，m；

k—碎胀系数，取1.3～1.5.

泥岩碎胀系数为1.4，砂岩碎胀系数为1.3，根据12605工作面顶板岩性分布可知，切顶范围内泥岩占比约40%，砂岩占比约60%，通过加权平均计算得，采空区顶板垮落后岩石碎胀系数k为1.34. 根据补打钻孔资料显示，煤厚变化不大，在不考虑底鼓及顶板下沉的情况下，工作面采高H煤为2.4 m时，计算得H缝=7.0 m. 综合考虑上述计算结果，预裂切缝孔深度设计为H缝=7 m.

根据该矿实践经验，切缝孔布置在巷帮与顶板夹角处，与铅垂线夹角为15°，切缝孔间距为500 mm时，现场的爆破成缝效果最好。切缝钻孔布置图见图1.

图1 切缝钻孔布置图

1) 确定装药量和封孔长度，这需要进行单孔试验爆破。2) 观察两相邻装药孔的爆破情况，为达到该目标需要进行间隔爆破。3) 连续爆破试验，以此确定爆破方式和爆破孔的数量，炮孔试验参数见图2.

图2 炮孔参数试验方案图

在顶板预裂切缝技术中使用的双向聚能管，其外径42 mm，内径36.5 mm，长度1.5 m，使用的炸药种类为煤矿乳化炸药，用炮泥封孔。

距12605切眼(12607工作面为下接替面，位于12605西南侧)50 m处开始进行切缝钻孔施工并预裂爆破，开始切缝钻孔位于非回采侧，即副帮顶角处，在密闭墙里垂直巷道走向布设两排钻孔，排距500 mm. 切缝钻孔布设于回采侧，切缝孔间距500 mm，角度15°，钻头直径为48 mm，深度7 000 mm，采用特制聚能管、药卷及封泥进行爆破作业，12605切眼附近预裂爆破示意图见图3.

3 恒阻大变形锚索支护技术

为了保证切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性，在对巷道顶板进行预裂切顶前采用恒阻大变形锚索补强加固。

为使恒阻锚索在留巷的过程中发挥较好的悬吊作用，同时有效保护锚固端，恒阻锚索长度一般设计为H缝+2.3 m，并确保锚固端位于较稳定岩层内。考虑到顶板岩层分布、巷道原有支护参数及原有瓦斯钻孔布置情况，对恒阻锚索支护进行分区设计，TC750 m—TC600 m区段(TC600 m之前)恒阻锚索设计长度10.3 m，TC600 m—TC50 m区段(TC600 m之后)恒阻锚索设计长度9.3 m.

图3 12605切眼附近预裂爆破示意图

恒阻锚索补强支护密度一般为每米补打1～2根锚索，另外恒阻锚索主要布设于切缝侧对于顶板支护更为有利。根据以往工程经验，结合巷道原有支护形式和参数，恒阻大变形锚索垂直于顶板方向布置，共布设3列，第一列恒阻锚索距留巷正帮500 mm，排距1 000 mm；第二列位于中线布设，排距6 000 mm；第三列距巷道副帮1 200 mm布置，排距为6 000 mm. 第一列恒阻锚索相邻锚索之间用W钢带连接(W钢带平行于巷道走向)，恒阻锚索支护图见图4，巷道支护展开图见图5.

图4 恒阻锚索支护设计图

该技术中所使用的锚索，d21.6 mm，长度为10.3 m或者9.3 m，恒阻器的长度为450 mm，d68 mm.

切眼及硐室加强支护设计：12605正巷与12607切眼交叉口处，即12607切眼内15 m、切眼预留5 m硐室及12605正巷15 m需进行加强支护设计，其中12607切眼内布设两列恒阻锚索，间排距1 600 mm×2 000 mm，锚索长度10 300 mm；12605正巷内布设4列恒阻锚索，第一列恒阻锚索距留巷正帮500 mm，排距1 000 mm；第二列距巷道正帮1 200 mm布置，排距为6 000 mm. 第三列位于中线布设，排距6 000 mm；第四列距巷道副帮1 200 mm布置，排距为6 000 mm. 第一列恒阻锚索相邻锚索之间用W钢带连接(W钢带平行于巷道走向)，切眼交叉口附近恒阻锚索加强支护图见图6.

留巷段的绞车硐室、材料硐室及排水硐室等，在回采前需进行退锚处理。硐室口及前后5 m范围内对顶板加强支护。

4 施工工艺

图5 恒阻锚索加强支护巷道展开图

图6 切眼交叉口附近恒阻锚索加强支护图

工作面正巷恒阻锚索加固及切顶缷压总体施工过程如下：

1) 恒阻锚索加强支护，按所设计的支护参数施工恒阻大变形锚索加固巷道，并在切缝侧恒阻锚索沿着巷道走向添加W钢带提高整体支护性能。

2) 顶板预裂爆破钻孔施工及顶板预裂爆破施工，从工作面留巷段切顶卸压施工起始位置，即：压道处开始施工爆破钻孔，爆破钻孔参数为：间距500 mm，深度7 000 mm，与垂直方向夹角为15°. 爆破时，每个爆破钻孔安设4根聚能管，其中三根聚能管长度为1.5 m，一根聚能管长度为1 m，孔口封泥长度为1.5 m，具体装药量及爆破方式根据现场试验效果确定。

3) 架后挡矸支护，待工作面推过后，及时在工作面支架爆破切缝侧进行挡矸支护，在靠近采空区侧，间距500 mm安设单体支柱，每两根单体之间铺设钢筋网并布置可伸缩U型钢，使用木楔将其紧固，防止可伸缩U型钢滑动；单体必须加设柱靴增加工作阻力。

4) 喷浆封闭，对冒落不充分的区域，整理完好，进行喷浆，保证巷道稳定性。

5 应用效果分析

1) 切顶留巷成本：合计1 942万元(单价11 027元/m).

其中，主要包括：切顶投入材料费、专家技术费894万元，单价5 073元/m；该矿投入支护材料，挡矸材料、封闭材料、爆破材料722万元，单价4 100元/m；该矿留巷投入的人工费及后期维护人工费326万元，单价1 851元/m.

2) 掘送一条巷道的成本：1 098万元。

相邻工作面少掘送一条巷道1 800 m，共1 098万元，成本6 100元/m；留巷成本比掘送巷道多投入844万元。

3) 实际效益：2 688万元。

回收煤柱:4 630万元(多回采原煤11.3万t，原煤价格410元/t). 切顶留巷成本：1 942万元；新增效益：4 630-1 942=2 688万元。

该矿已回采工作面均采用预留保护煤柱的开采工艺，资源浪费较多，采用自动成巷开采技术，降低了相邻巷道掘进矿山压力显现的影响，减少了巷道维护量，有效提高了资源的回收率，经济效益显著。通过上述经济分析，该矿使用切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术，每条巷道可增加2 688万元的效益。

参 考 文 献

[1] 秦永洋,许少东,杨张杰.深井沿空掘巷煤柱合理宽度确定及支护参数优化[J].煤炭科学技术，2010,38(2)：15-18