煤矿井下切顶卸压无煤柱综采工艺技术研究

贾云峰

（1.甘肃有色冶金技术学院， 甘肃 金昌 737100；2.兰州金川新材料科技股份有限公司， 甘肃 金昌 737100）

传统的综采技术方案中，需要在综采面留设大量的煤柱，用于对顶板进行支护，防止出现顶板垮落，造成了极大的煤炭资源的浪费，而且对综采作业效率也会产生较大的影响[1]。经过大量的实践本文提出了一种新的煤矿井下切顶卸压无煤柱综采工艺技术，其采用滑移让位护帮加波浪式多阻护帮锚杆支护方案，能够有效的控制顶板的结构变形，具有施工工艺简单、综采效率高的优点，而且通过对顶板进行超前预制切缝，控制顶板和采空区之间的应力传递途径，也极大的改善了煤矿井下巷道顶板的稳定性，对提升煤矿井下综采作业安全和效率具有十分巨大的意义，具备大范围推广的实际意义。

1 切顶卸压工艺流程

该煤矿井下巷道的切顶卸压工艺流程主要包括四个部分，第一步首先是根据计算好的巷道支护参数对煤矿井下巷道顶板进行加强支护，在进行巷道支护参数计算的过程中应充分考虑巷道的地质条件和来压时的矿压波动和来压周期，如果巷道紧邻采空区域或者顶板的岩层稳定性较差，需要对计算结果施加一个安全系数，一般取1.5。第二步是在回采期间，对超前综采面进行施工设置预爆破孔，爆破后形成预设的顶板预裂切缝，在设置爆破孔时通常采用超前爆破的方案，超前距离约为100 m，在进行爆破孔设置时应根据井下的实际情况合理的设置爆破孔的间距，满足安全、经济的爆破需求。第三步则是等到井下综采作业工作面推进到切缝的位置后第一时间在综采面的后侧进行加强支护，确保综采作业的安全性，加强支护采用了临时加强支护的方案，采用螺纹钢相互锁扣配合，既能保证快速支护、快速拆卸的需求，又能保证井下巷道的支护安全性。第四步则是随着综采作业的进行，使采空区域的巷道顶板不断的沿着预裂缝进行垮落并不断压实，直到形成稳定的支护结构后再统一撤除临时支护设备并将综采完成的采空区域进行密封隔离，完成留巷作业，该切顶成巷的基本工艺流程如图1 所示[2]。

图1 井下切顶成巷工艺流程图

2 滑移让位护帮支护结构

由于煤矿井下巷道顶板来压时的压力较大，传统的固定式挡护结构在无煤柱支撑的环境下极易出现承压过大而导致的变形弯曲现象，如下页图2-1所示，导致岩层出现垮落，影响煤矿井下综采作业安全，因此为了适应新工况下的支护要求，提出采用U型钢井下滑移让位护帮支护，该结构采用了两节U型钢相互叠加的结构形式，通过卡缆的方式来控制护帮在顶板矿压作用下的滑移力，进而实现护帮板的抗横向形变的性能，该U 型护帮结构还能够确保支护构件在顶板矿压作用下的稳定性，待垮落区域稳定后对挡护体进行拆除，实现支护构件的连续重复利用，提高支护经济性和安全性，该井下滑移让位护帮支护结构如图2-2 所示[3]。

图2 滑移让位护帮支护结构

3 波浪式多阻护帮锚杆支护

井下滑移让位护帮支护结构主要是用于在综采和顶板垮塌过程中的巷道顶板的不稳定性支护，当垮塌部分垮塌完毕且煤帮趋于稳定后需要进一步的对煤帮的碎石部分进行整体式加强支护，以满足巷道碎石帮的整体承压和抗形变的能力[4]。由于碎石垮落后堆砌起来形成了近似于块状的承重墙体结构，因此可综合利用井下护帮可靠支护理论，对堆砌的墙体进行锚固处理，用于降低堆砌墙体的横向位移，显著提升整个墙体的抗压和抗倒能力。在对墙体进行锚固处理时锚杆的结构直接影响支护的稳定性和可靠性，为了适应碎石护帮的结构特性，本文提出了一种新型的波浪式多阻护帮锚杆结构，其主体是由螺纹钢的钢体制成，在钢体上设置有多个凸结，在对碎石帮进行支护的过程中这些均匀分布的凸台可以作为一个受拉的结构，通过锚杆的拉应力来抵抗碎石帮的侧向应力，进而确保碎石帮在各种冲击压力下的稳定性，降低对挡护结构的压力。

波浪式多阻护帮锚杆在设置时需要和综采面的施工同时进行，此时垮落的碎石还没有完成压实，能够较容易的进行设置。在综采作业的过程中碎石帮不断的被挤压，直到形成一个完全稳固的支护体结构，碎石通过和锚杆前端的凸结的相互作用把锚杆自由端的拉力传至碎石帮靠近采空区的一侧，降低了碎石向外垮落时的应力，从而有效地保证了碎石帮结构的稳定性，该波浪式多阻护帮锚杆结构如图3 所示[5]。

4 切顶卸压无煤柱综采顶板稳定性分析

为了对该切顶卸压无煤柱综采技术方案下巷道顶板的变形规律进行研究，分析该煤矿井下切顶卸压无煤柱综采技术的应用效果，本文在井下对顶板的切缝侧、巷道中间位置和煤柱侧分别进行综采作业过程中的顶板变化情况监控。监控时采用了高精度位移传感器，对综采作业过程中不同位置的顶板下沉情况进行监测，结果如图4 所示。根据实际监测结果可知，从滞后综采面约54 m 的位置巷道的顶板出现了明显的下沉现象，直到巷道顶板压力波动开始慢慢稳定后巷道顶板仍然有一定的下沉现象。这表明了U 型钢井下滑移让位护帮支护起到了应有的滑移让位功能，在压力作用下产生一定的位移量，增强了支护结构的稳定性。在综采面的后侧约141 m的位置巷道顶板波动基本消失，表明井下护帮板围岩结构已经被充分压实，当临时支护体撤除后顶板出现了微量的下沉，最终在该切顶卸压无煤柱综采作业时顶板的最大下沉量约为256 mm 出现在顶板切缝侧，完全满足井下综采作业安全需求。

图3 波浪式多阻护帮锚杆支护结构

5 结论

本文针对传统有煤柱综采作业方案所存在的效率低下、煤炭出采率低，影响煤矿井下综采作业效率和经济性的问题，提出了一种新的煤矿井下切顶卸压无煤柱综采作业方案，其采用滑移让位护帮加波浪式多阻护帮锚杆支护方案，能够有效的控制顶板的结构变形，根据实际验证表明：

1）该煤矿井下巷道的切顶卸压工艺流程主要包括四个部分，具有工艺流程简单、可靠性好、稳定性高的优点。

2）U 型钢井下滑移让位护帮支护方案能够确保支护构件在顶板矿压作用下的稳定性，而且还可以实现支护构件的连续重复利用，提高支护经济性。

3）波浪式多阻护帮锚杆通过碎石和前端的凸结的相互作用把锚杆自由端的拉力传至碎石帮靠近采空区的一侧，从而有效的保证了碎石帮结构的稳定性。

4）该切顶卸压无煤柱综采作业时顶板的最大下沉量约为256 mm 出现在顶板切缝侧，完全满足井下综采作业安全需求。