综采工作面坚硬顶板切顶卸压留巷应用研究

综采工作面坚硬顶板切顶卸压留巷应用研究

邓功伟 

贵州渝能矿业有限责任公司  贵州省  遵义市  563100

摘要：随着煤炭开采深度不断增加，综采工作面护巷煤柱宽度不断增加，煤炭资源采收率呈降低趋势，同时留设宽度较长的护巷煤柱会导致下部煤层开采时应力集中，给煤炭回采带来影响。近些年来，切顶卸压留巷技术在煤矿井下应用不断增加，不仅可提高煤炭资源回收率，而且将采面通风由传统的U型改为Y型，解决了回风隅角瓦斯集聚问题。基于此，对综采工作面坚硬顶板切顶卸压留巷应用进行研究，以供参考。

关键词：综采工作面；切顶卸压；沿空留巷；顶板支护

引言

因煤层顶板属于坚硬顶板，工作面初采期间矿压显现强烈，顶煤冒放性差;临空侧小煤柱巷道虽处于采空区侧向应力降低区内，但同时也伴随着巷道围岩整体松软破碎，小煤柱整体完整性较差，承压能力弱，不利于巷道维护，为综放工作面安全管控带来一定隐患。

1综采工作面沿空留巷覆岩变形特征分析

煤层综采工作面不同于浅埋煤层，最大的区别在于地质条件复杂、开采难度加剧及地应力增大等特点。在工作面不断推进过程中，上覆岩层应力和位移易发生变化，使得工作面后方顶板会出现大面积“悬臂梁”现象，从而造成巷道大变形及稳定性降低，引起矿井地质危害发生。对于未切顶围岩结构，在基本顶岩块回转变形过程中关键块及其上覆直接顶的荷载主要由下方实体煤和巷旁充填体共同承担，此时处于早期活动状态的阶段性垮落；随着工作面持续推进，直接顶的垮落基本完成且出现较大的断裂现象，并延伸影响至实体煤，此时顶板岩层活动处于中期活动阶段；当“悬臂梁”跨距达到极限垮落以及顶板超过顶板承受的极限荷载时，基本顶（岩块B、岩块C和岩块D）和直接顶大面积垮落，远远超过了巷旁充填体及浅部实体煤的承载能力，导致巷道发生极大的变形破坏，此时处于上覆岩层垮落的最终活动阶段。

2切顶卸压成巷技术原理

在巷道顶板靠采煤工作面一侧进行拉张爆破致裂顶板。待工作面推过后，在矿山压力的作用下，采空区侧切断岩层垮落充填了冒落空间，缩短了巷道采空区侧顶板悬臂梁的长度，减小悬臂梁上覆载荷及旋转变形量。工作面回采后，巷道顶板沿切顶线垮落形成巷帮，既隔离了采空区又保持了巷道的完整性，可作为下一个工作面的巷道二次使用，实现了无煤柱开采。所以，切顶卸压成巷的关键是在于确定切缝深度和爆破致裂形成连续的切缝面。

3综采工作面坚硬顶板切顶卸压留巷应用

3.1挡杆支护

在采面后方综合使用钢筋网（金属网）、护帮挡板支架对巷帮进行支护，提高顶板支护强度并避免采空区冒落矸石进入到留巷段，提高留巷效果。采用的护帮挡板型号为RTD29-2000/02，档杆支架布置间距为500mm，伸缩长度均在1000mm以上。支护用金属网类型包括有菱形网、钢筋网。当端头临时支护支架前移后，首先在靠近采空区最外侧布置一道菱形网及钢筋网，后紧贴钢筋网架设档杆支架；在采面后方200m范围内，为降低采动应力影响并提高顶板支护效果，在档杆支架间布置单体液压支柱，单体液压支柱一般在滞后采面200m以外范围全部撤回。

3.2巷道超前加固支护

随着煤层开采的进行，上覆岩层受扰动应力重新分布，巷道围岩的支撑压力也会随之增大。首先受到影响是靠近沿空留巷一侧的实体煤发生碎胀变形及破坏，并向煤体内部扩展。对于大埋深煤层，实体煤帮作为承受上部覆岩荷载的重要组成部分，其对巷道的稳定性起到关键作用，若对其支护力度不够，很容易造成围岩的挤压失稳破坏，极大的缩短了巷道的使用寿命，甚至无法再次使用。为了防止实体煤帮和直接顶发生变形，在原巷道支护的基础上增加锚索补强支护，并沿巷道另一侧加设单体支柱，以增强实体煤和直接顶的抗挤压能力和承载力。

3.3聚能爆破切顶卸压及数值模拟

聚能爆破是指在传统爆破的基础上，按照人为设定使得爆破能量沿着指定方向流通，在顶板位置形成聚能流，将聚能流集中在预先设定的方向上，此时聚能爆破能源传播则会具备传统爆破不具备的定向性，有效的减小了粉碎区的半径，使得顶板沿着指定方向进一步发育，有效增加裂隙发育区，实现顶板定向断裂，达到切顶卸压的目的。为了实现聚能爆破效果的最佳化，对聚能爆破的参数进行优化研究。对聚能爆破切顶卸压参数进行研究，根据前人研究可知，炸药爆破产生的冲击波和爆轰气体共同作用于岩石。在外力的作用下，此时岩石裂纹发育、扩展。而冲击波在岩体裂隙扩展过程中起到促进裂隙发育的作用。通过模拟得出，不同炮孔间距下压应力分布情况较为相似，当炮孔间距过大时（1.4m）时，此时的炮孔中心线未达到应力的叠加，且未贯穿，而当炮孔间距较小时，此时压应力叠加区域逐步增大。观察不同炮孔间距下压力曲线可知，监测点多的压力随时间增大呈现先增大后减小的趋势，形状类似“三角形”。

3.4切顶效果分析

采用CXK12钻孔窥视仪对切顶爆破后顶板裂隙扩展情况进行窥视。从窥视结果看出，通过对留巷段顶板进行预先切顶后，切顶钻孔周边存在明显的缝隙，且切缝缝隙宽度超过10mm，切顶段钻孔岩体弱化，部分位置塌孔，表明在8103运输巷内采用的切顶爆破方案可满足切顶需要，采面回采后采空区顶板可及时沿着切顶线垮落，降低采空区顶板垮落、下沉等给留巷段顶板变形影响。

3.5大埋深综采煤层沿空留巷联合支护体系

基于上述分析各个支护技术的特点，决定在梧桐庄煤矿工作面采用“巷道超前加固支护（锚索槽钢补强支护和单体支柱）+切顶卸压爆破技术+高水材料沿空留巷巷旁支护”的联合控制技术对巷道进行支护。具体实施步骤如下：1）在工作面系统形成之后，首先在巷道直接顶和基本顶上采用锚索钢槽进行超前加固支护，确保切顶及采动时巷道顶板及两帮不受其影响。2）支护完成后，在超前工作面一定距离内钻入爆破孔，后采用双向聚能爆破预裂技术在采空区顶板侧向方向上预制裂隙面。煤层工作面采后，紧接着在爆破面下端布设单体支柱以承载上部压力，便于巷旁充填体的成型。随着开采不断进行，采空区空间逐渐增大，为了减弱顶板“悬臂梁”结构对另一侧的煤帮的影响，利用锚杆对煤帮进行加固，如。3）超前支护与切顶完成后，紧随工作面回采进度，在单体支柱的外侧布设巷旁充填袋，并进行高水材料注浆充填加固，待巷旁充填墙体具有一定强度时，配合巷道原有支护体系共同控制其围岩稳定性，最大限度的维持巷道的二次使用。

结束语

综上所述，为保证巷道稳定性，许多煤矿采用增大护巷煤柱的方法进行支护，这使得煤炭资源浪费较为严重，为了解决坚硬顶板问题，众多学者对其进行治理研究，目前针对坚硬顶板问题主要的治理措施有：爆破切顶卸压、水力切顶卸压、静力切顶卸压，每种切顶卸压方法具有各自的优势，爆破切顶卸压作为最为常见的卸压方式，其具备操作简单、施工方便的优点，但普通爆破过程中，爆炸能量向四周扩散，爆轰压力均匀施加于炮孔壁，使得大部分能量直接作用于破碎岩体，造成破碎区范围深度浅、范围广的现象，未能达到理想效果。

参考文献

[1]陈立军.一次采全高综采工作面切顶卸压沿空留巷技术[J].煤炭工程,2020,52(08):60-63.

[2]张彦.深井无巷旁充填切顶卸压沿空留巷关键切顶参数及围岩控制研究[D].安徽理工大学,2019.

[3]杨运琦.坚硬复合顶板切顶卸压及垮落规律研究[D].山东科技大学,2019.

[4]张志杰.哈拉沟煤矿切顶卸压沿空留巷开采技术研究[D].西安科技大学,2018.

[5]李丽伟.综采切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术研究[D].河北工程大学,2017.