预裂切顶自动成巷技术工艺实践研究

张兆威

（国家能源神东石圪台煤矿，陕西 榆林 719000）

1 概况

哈拉沟12201 工作面位于井田南部，为二采区首采工作面，工作面北部为主要采区大巷，南部、西部、东部均为实体煤区域，工作面东部后期规划有12202 工作面。12201 工作面设计走向长度为752.28 m，倾向长度为280 m，采高2.6 m，岩石碎涨系数为1.69。12201 工作面采用沿空留巷工艺，将12201 胶带顺槽部分区域作为工作面回采结束后的保留巷道，设计整体留巷长度为580 m。根据矿压观测结果，12201 工作面初次来压步距在22～27 m 之间，最大来压强度约48 MPa，工作面周期来压步距在10～15 m 之间，最大来压强度约52 MPa。12201 工作面位置示意图如图1。

图1 12201 工作面位置示意图（m）

2 沿空留巷技术工艺

设计在12201 胶带顺槽采用切顶卸压自动成巷技术，实现无煤柱回采。

2.1 沿空留巷关键技术

沿空留巷是指在工作面回采期间，将上区段工作面的顺槽通过一定的技术手段保留下来，作为下区段工作面的顺槽，上、下两区段的工作面不留设煤柱的一种技术工艺，其关键技术为切顶卸压技术[1]。通过对采空区一侧的巷道顶板进行定向预裂，人为缩短直接顶的悬臂梁长度，切断采空区顶板与巷道顶板之间的联系，降低工作面回采期间压力对工作面的影响，工作面回采结束后，巷道顶板能够沿预裂方向滑落形成巷帮，持续兼做回采工作面的运输巷道，实现“废巷再利用”的目标[2-3]。沿空留巷在中厚煤层开采中有着较广泛的应用。

2.2 双向聚能张拉成型爆破工艺

双向聚能张拉成型爆破是顶板定向预裂爆破的重要技术手段，该工艺主要是利用特定的聚能装置使岩体产生集中拉应力，沿预设的方向断裂，聚能孔能够将炸药爆破产生的冲击应力波集中于孔内并以固定的方向集中释放。爆破过程中，置于双向聚能管的药包会沿聚能的方向对巷道预裂方进行冲击，使巷道围岩产生径向裂隙。爆破产生的冲击性气体进入裂隙中，促使围岩进一步发生破断，继续沿预设的方向扩展，最终形成光滑的爆破面。一般而言，为提高聚能装置的聚能拉张效果，需保证聚能装置本身要有固定强度，能够最大程度将预留围岩所要受到的爆轰产物要面临的损害降到最低，也要均衡装置的成本与消耗控制，确保聚能爆破时炸药消耗与爆破效果最高。

2.3 技术优势

（1）通过切顶卸压自动成巷技术手段，能够将顶板支承结构有效隔断，消除顶板应力集聚现象，实现了对顶板的定向垮落与主动控制[4]。

（2）将传统“一面两巷”的掘进工艺改变为“一面一巷”工艺，减少了巷道的掘进进尺，降低了掘进成本与时间。

（3）通过将上区段工作面的顺槽保留下来用作下区段工作面的作业顺槽，实现无煤柱回采，大大提高了煤炭资源的回采率与经济效益，同时，避免了残留煤柱应力集中、煤炭自燃、瓦斯积聚等现象，为矿井延深、深部工作面回采提供了良好的应力环境[5]。

2.4 沿空留巷工艺围岩控制重点

采用切顶预裂成巷切顶技术工艺后，由于未留设区段煤柱，保留下来的巷道与采空区相接，巷道围岩的稳定性与采空区基本顶垮落的影响关系较大，特别是巷道内部的支护会承担大部分来自采空区悬顶传导的作用力，其巷道围岩变形量较大，采空区一侧巷道顶板的下沉量会明显高于其他区域，顶板离层现象严重。同时，巷旁支护会在悬顶梁发生旋转的作用下而变得支护困难，出现支护材料被压垮甚至失效的现象，采用切顶预裂成巷切顶技术工艺需重点控制成型巷道围岩的支护效果，通过增加巷旁砌墙宽度值、提高支护强度以及采用高强度材料进行填充等技术手段以确保围岩稳定性。

3 沿空留巷施工设计

3.1 顶板预裂切缝设计

为确保12201 工作面运输顺槽上覆顶板能够按照预设方向垮落，设计采用预裂爆破技术对运输顺槽顶板进行爆破施工。炮孔于靠近采空区的运输顺槽帮角处布置，炮孔深度为6 m，相邻两孔的间距为0.8 m，炮孔与铅垂方向呈20°夹角。炮孔的设计参数如图2。

图2 12201 工作面运输顺槽预裂炮孔设计参数（mm）

3.2 补强加固支护设计

为确保12201 工作面运输顺槽围岩稳定性，避免采空区顶板大面积垮落产生的强冲击影响对巷道产生破坏，需超前对巷道进行加固。根据12201 工作面围岩变形特征，设计采用恒阻大变形锚索+W钢带对巷道进行补强加固，锚索选用规格为长8 m、直径21.8 mm，恒阻器选用规格为长0.5 m、直径65 mm，恒阻器阻值范围在30～36 t 之间，锚索排距为2 m，与切缝炮孔间距为0.3 m，垂直于巷道顶板打设，托盘预紧力为28 t。每隔三根恒阻大变形锚索用W 型钢带进行连接固定，钢带选用规格为3 mm×230 mm×4600 mm。12201 运输顺槽顶板补强加固支护设计如图3。

图3 12201 运输顺槽顶板补强加固支护设计图（mm）

3.3 采空区挡矸支护设计

巷道顶板在预裂爆破后，在切缝区域内会有围岩垮落积聚的现象，容易造成巷道断面小、清理支护困难的现象。为防止此类现象的发生，预先在超前工作面30～50 m 区域内的巷旁进行挡矸支护[6]，支护方式为工字钢+单体液压支柱+钢筋网联合支护。单体支柱与工字钢的间距均为0.6 m，沿直线布置。支护完成后，选用规格为2300 mm×800 mm的钢筋网进行加固，网片之间重叠长度不小于100 mm。12201 工作面挡矸支护布置如图4。

图4 12201 工作面挡矸支护布置图（mm）

3.4 围岩注浆锚杆加固设计

为提高巷道帮部围岩支承结构的稳定性，设计对运输顺槽的帮部布置注浆锚杆进行加固。注浆锚杆沿巷帮垂直方向布置三排，第一排锚杆距巷道顶板0.9 m，最后一排锚杆距巷道底板0.3 m，注浆锚杆的间排距均为0.8 m，注浆材料选用由水泥+水+水玻璃配置而成的双液水泥浆，单孔注浆量在0.45～0.5 m3之间。帮部围岩注浆锚杆加固设计示意图如图5。

图5 帮部围岩注浆锚杆加固支护示意图（mm）

4 施工工艺

（1）12201 运输顺槽预裂切缝深度在30～40 m范围之间变化，在巷道顶板布置恒阻大变形锚索，每三个锚索之间采用W 型钢带连接，锚索锚固前使用Ф75 mm 的钻头进行扩孔，扩孔深度≧50 cm。锚索固定后，间隔18 h 之后，将恒阻器拉紧，托盘预紧力为28 t。为提高支承结构的稳定性，锚索处添加W 钢带作为横撑。

（2）12201 运输顺槽距工作面40～50 m 的区域内施工双向聚能拉伸爆破作业，在爆破孔的底部设置聚能管，管孔方向与巷道轴向平行，装药参数为3+2+0+1。爆破时，为降低爆破对巷道表面的破坏，提高爆破效果，需同时起爆10 个爆破孔。

（3）在巷旁采用工字钢+单体液压支柱联合支护方式，巷内采用单体液压支柱配合花边梁支护。花边梁架设在单体顶板，并与顶板岩面贴实。

（4）待工作面顶板沿预设轨迹垮落并稳定后，进行巷道整体修整，对垮落严实的区域进行敲定垮落，对顶板垮落不充分的地方进行填充，并进行喷浆，确保巷道的规格、断面、成型度和稳定性满足生产需求。

（5）待工作面推过100 m 后，撤除单体液压支柱，进行下区段巷道支护。

5 应用效果

（1）12201 运输顺槽巷道顶板离层在距工作面75 m 后逐渐平缓并趋于稳定，顶板最大离层量为56.5 mm，平均离层量为27.6 mm，顶板离层量为中等可控。

（2）12201 运输顺槽巷道顶板下沉量随距工作面距离的增加而逐渐趋于稳定，单体液压支柱活柱最大下缩量为208 mm，支柱支护工况良好。

（3）12201 运输顺槽巷道顶板锚索最大拉应力为242.8 kN，预留出一定的监测误差，锚索最大应力值接近恒阻状态，支护质量有效。

（4）12201 运输顺槽巷道的侧向压力在距工作面30 m 之后趋于稳定，最大压力值为1.8 MPa。

6 结语

沿空留巷技术是无煤柱开采工艺中的一项重要手段，该技术不仅能够提高煤炭回收率，降低巷道掘进量，还能有效缓解巷道围岩的应力集聚现象。在哈拉沟煤矿12201 工作面运输顺槽采用切顶卸压沿空留巷工艺，通过顶板补强支护、采空区挡矸支护配合巷帮补强支护等，巷道成型效果较好，围岩稳定性得到了有效保障，实现了无煤柱开采。