薄煤层坚硬顶板工作面切顶卸压留巷技术研究

薄煤层坚硬顶板工作面切顶卸压留巷技术研究

 贺小飞

身份证：141125199301140054     华晋焦煤有限责任公司 033300

 【摘要】为了能够更好地解决薄煤层坚硬顶板工作面回采期间留巷支护技术难题，本文主要采用了理论分析和现场实测的方法，从较为具体的角度对切顶卸压留巷技术展开了较为全面而深入的研究。相关的研究结果表明，通过采取预裂爆破切顶、单体支柱护顶和高水速凝水泥充填护帮等技术措施，可以比较科学地解决当前实际面临的薄煤层坚硬顶板工作面的回采期间留巷支护难题，同时留巷断面可以满足回采工作面的通风、安全等要求。但是坚硬顶板因为岩层会在一定程度上随着采面开采而不容易发生垮落的现象，因此在实际的开采过程中矿压相对来说会更加明显，这样一来实际上是不利于沿空留巷工作的开展。但是通过施工现场的一系列实践可以发现，在采用了切顶卸压留巷技术后，巷道变形量相对来说比较小，同时实际顶板最大下沉量为15mm，并且巷道两帮移近量最大值为150mm，这样一来就在很大程度上满足了工作面安全回采的实际要求，并且在实际的应用过程中具有相对来说非常明显的应用效果。

【关键词】薄煤层；坚硬顶板工作面；切顶卸压留巷技术

为了能够更好地解决当前煤炭资源浪费以及瓦斯超限等现实问题，矿方就目前的现实情况而言对无煤柱开采的实际需求越来越大，切顶卸压沿空留巷技术是目前煤炭开采的一个重要方向。沿空留巷成功的关键在于巷旁充填体能够及时切落采空区侧足够高度的顶板岩层，使留巷巷道处于低应力区，从而达到减轻留巷变形、破坏的目的。

1.切顶卸压方案设计

1.1切顶卸压设计

工作面开采顺序为由东向西，上阶段为一个采区，下阶段为一个采区。工作面初次来压步距约60m，周期来压步距约20m，工作面预计开采3个月，即为一个开采周期。工作面回采期间需要采用留设煤柱的方法来控制采动应力，但是当工作面推进至一定距离时，采空区边缘形成了较大的应力集中区，煤体被压实，导致顶板下沉。另外在回采期间回采支架会造成顶板冒落，形成巷道变形及破碎顶板。因此在留设煤柱时，为了防止煤柱过大导致压死工作面，需要对煤柱进行切顶卸压。

1.2切顶卸压方案设计

为提高煤柱留巷效果，利用爆破技术切顶卸压。爆破技术切顶主要是通过在工作面沿煤层底板的岩层中打眼爆破产生裂隙，利用裂隙产生的应力波来破坏岩层内部结构，达到破坏煤体强度的目的。经试验分析得出：煤层顶底板岩层的切缝深度为5~8m时，可以取得较好的切顶效果。因此，本次爆破切顶深度确定为5m。根据切顶卸压后煤柱宽度的计算公式：其中：W—煤层厚度；h—煤柱宽度；ΔH—煤柱内煤体侧向应力；△σ1—煤柱内最大应力。

1.3单体支柱护顶技术方案设计

为提高单体支柱护顶效果，采用液压泵站提供动力作为动力来源。该设备以液压管路连接于液压泵站主机上，通过控制泵组实现动力的切换。设备启动后先给柱体注水并加压至40MPa~50MPa后进行回路通电测试。回路通电后检查管路是否完好并与主机连接正常后即可进行回采作业。

1.4高水速凝水泥充填护帮技术方案设计

为提高高水速凝水泥充填护帮效果，通过在高水速凝水泥中添加水玻璃、粉煤灰和煤粉等原料进行充填护帮。水玻璃具有快速凝固、固化时间短、强度高等特点；粉煤灰和煤粉具有高强度、低成本、易被水冲洗的特点；而煤粉具有强度高、填充效果好的特点。充填护帮时，采用将充填料与水混合后使用高压泵送入高水速凝水泥中的方式进行充填护帮。充填护帮材料为高水速凝水泥和粉煤灰等原料混合而成的水玻璃砂浆。在施工过程中，首先对高水速凝水泥进行预湿处理；其次将充填料倒入高水速凝水泥中并充分搅拌均匀；最后在充填料初凝前将其填充到巷道内，并对充填料进行搅拌，以保证高水速凝水泥的整体性，从而保证高水速凝水泥充填护帮效果。

2.巷道支护设计

2.1巷帮加固支护设计

为确保巷道能够正常使用，在回采期间对巷道进行支护加固。因此，根据不同的地质条件、不同的开采条件和不同的巷道布置要求，采用不同的支护方式。巷道采用锚网索喷联合支护方式，对巷道进行锚网喷联合支护。

2.2支护材料及机具选型设计

为提高支护效果，为保证围岩稳定，在巷道围岩较破碎时，选用高强度、高刚度的锚杆、锚索配合单体支柱进行联合支护。另外还需要根据具体的地质条件和生产工艺来选用相应的机具，如：根据施工工艺的不同，可选用千斤顶、支架等。为了保证支护质量及强度，在巷道围岩破碎时，应及时对锚杆和锚索进行加固。在施工过程中还需要保证机具及工具的质量，保证支护强度符合设计要求。

2.3支护监测与效果评价方案设计

为提高支护效果的监测效率和监测精度。通过使用传感器对巷道进行实时监测，并通过计算机处理数据分析得出相应结论。在巷道回采前及回采期间要对支护进行观测并记录数据信息，为后期数据处理及分析提供参考依据。另外在回采过程中每隔5min记录一次观测数据，并将观测数据和记录数据进行对比分析。根据观测结果可以判断巷道围岩变形情况及破碎情况，从而可以进一步优化巷道支护方案。

3.切顶卸压留巷的关键技术

第一，预裂爆破切顶技术。根据工作面开采时的地质条件和采动影响程度，可以采用爆破法进行顶板预裂。预裂爆破时，在巷道顶板上布置垂直于工作面的切缝孔，孔口用无缝钢管封堵。布置完孔后，用千斤顶将孔内的高压瓦斯气压出，并开启液压泵站，打开放炮开关，在炮眼内填装炸药，先起爆一枚药包。炮眼间距不大于2m。爆破后将孔内瓦斯气体排出，然后进行第二次爆破。当钻孔内瓦斯浓度达到1%时停止爆破作业。爆破后，采用人工清底方式进行巷道的清理工作。第二，单体支柱护顶技术。采煤工作面回采前在工作面提前预埋单体支柱进行护顶工作，其主要目的是控制采空区上方顶板的下沉。单体支柱护顶包括：一是对单体支柱进行加固，确保支柱受力均匀；二是对单体支柱之间的空隙进行充填；三是在巷道顶部用混凝土或砂浆浇筑混凝土等材料进行封闭。第三，高水速凝水泥充填护帮技术。根据现场工程经验，对留巷段进行高水速凝水泥充填护帮。高水速凝水泥充填护帮的作用主要有以下几个方面：一是可以提高护帮墙的强度；二是可以防止顶板下沉；三是可以减小围岩松动范围；四是可以起到保护煤柱的作用；五是可以在巷道内形成一层牢固的、自承载的高支护结构。具体技术方案如下：第一，将高水速凝水泥在搅拌机中搅拌2~3min，用泵将其打入支架内，对支架进行护帮工作。第二，采用2根φ42mm、长700mm的钢梁与2根φ25mm、长900mm的钢筋混凝土柱进行联合支护。

3.1切顶卸压技术

在留巷巷道断面设计时，综合考虑工作面回采进度、巷道变形、巷道支护等因素，采用留一补二的原则进行断面设计。在切顶卸压方案中，采用锚杆锚索支护为主的联合支护方式，采用两帮单体支柱护顶的方式。切顶卸压方案采用的主要材料为高水速凝水泥，该材料具有良好的护顶效果。同时，由于该材料具有较高的强度和较好的可泵性，在顶板条件不佳时，也可以将其作为临时支护材料使用。顶板预裂技术主要采用两种方式：一种是预裂爆破；另一种是单体支柱护顶。在顶板条件不佳时，采用单体支柱护顶技术；当顶板条件良好时，可以采用高水速凝水泥进行护帮。巷道变形控制技术：在留巷区段内进行切顶卸压施工时，可通过打钻钻孔、下套管等方式，对巷道两帮及顶板进行卸压。由于卸压作用的影响，巷道两帮变形量较小。但由于切顶卸压留巷范围内煤层的直接顶、基本顶厚度较小，导致支架载荷较大；同时煤壁附近的煤体强度较低，因此留巷区段的煤柱宽度不能过小。

3.2单体支柱护顶技术

在切顶卸压留巷前，根据巷道的具体情况，在巷道的两侧布置单体支柱进行护顶工作，以防止采空区上方顶板下沉，确保采空区上方顶板的稳定。单体支柱护顶的作用有以下几个方面：第一，在回采工作面推进过程中，由于采动影响，煤层会发生变形和移动，从而导致支架发生偏载现象，通过单体支柱对采空区上方顶板进行保护。第二，当工作面回采结束后，巷道内的岩层会发生下沉，此时单体支柱对巷道进行支护可以起到支撑作用。第三，当工作面推过采空区时，顶板会发生下沉和移动。单体支柱在回采过程中起到了支撑顶板的作用。第四，单体支柱护顶工作具有一定的安全风险，当支架处于不平衡状态时，可能会出现冒顶事故。因此在回采前需要对单体支柱进行加固处理，保证支柱受力均匀。第五，单体支柱护顶工作可以为采煤工作面提供安全保障，提高工作面的回采率和回采率。在切顶卸压留巷前将单体支柱进行预埋预埋，然后对单体支柱进行加固处理，可以使其受力更加均匀，从而避免出现冒顶事故。

3.3高水速凝水泥充填护帮技术

采用高强高强度锚杆锚索支护技术，主要是在工作面煤壁前方的迎头位置，每隔一定的距离安装一组高强高强度锚杆，来支撑工作面煤壁的变形。在顶板条件允许的情况下，也可以采用高强高强度锚杆进行支护，但是施工时应注意：一是必须保证顶板完整；二是要保证锚杆的长度要大于40m；三是要保证锚杆的预紧力达到100kN。在锚杆安装完成后，进行补强锚索施工，具体施工方案如下：一是先安装顶板预紧力达到100kN的高强度锚杆，然后安装顶板预紧力达到120kN的高强锚索。二是在顶板预紧力达到120kN后，开始进行补强支护，补强支护方式为每隔100m安装一组高强高强度锚杆。一般情况下，对于顶底板较软的煤层巷道，在工作面回采前提前进行巷道支护。巷道支护形式可以采用金属支柱、钢支柱和预应力钢绞线。在巷道内布置金属支柱时，其间距不小于1.2m；在金属支柱之间布置钢支柱时，其间距不小于1.0m；在金属柱与金属柱之间布置预应力钢绞线时，其间距不小于1.0m。利用高水速凝水泥充填护帮技术对巷道进行支护后，可以有效防止顶板下沉、垮落等问题的出现。

4.小结

通过对切顶留巷围岩应力及位移进行理论计算分析，得出切顶卸压留巷围岩应力为8.81MPa，顶板下沉量为15.3mm，两帮移近量为150mm。采用切顶卸压留巷技术后，留巷断面满足工作面通风、安全等要求。研究结果表明：切顶卸压留巷技术可以解决薄煤层坚硬顶板工作面回采期间的留巷支护难题，是一种高效、可行的采煤方法，并在某煤矿得到了成功应用，具有一定的推广价值。

【参考文献】

[1]高金强.薄煤层坚硬顶板工作面切顶卸压留巷技术研究[J].江西化工,2020(3):298-299.

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[3]赵中伟.基于薄煤层坚硬顶板工作面的沿空留巷技术研究[J].能源与节能,2022(12):136-138,192.