切頂卸壓自成巷技術在薄煤層采面的應用

趙熠明

（晉能控股裝備制造集團寺河二號井，山西 晉城 048000）

隨著國內煤炭行業開采裝備、開采技術的不斷發展，工作面區段之間沿空留巷技術進展顯著。與沿空掘巷相比，其可有效提高煤炭資源回收率，緩解礦井采掘銜接緊張的不利局面，社會經濟效益顯著。常規沿空留巷技術是通過預先構筑充填體進而維護上一工作面巷道為下一工作面服務。隨著切頂卸壓無煤柱開采工藝的推廣應用，預先主動對頂板巖層運動進行控制，及時定向切頂卸壓，營造低應力環境，為巷道穩定提供有力支承已成為主要技術措施[1-6]。寺河二號井9#煤工作面原設計區段護巷煤柱尺寸在20 m 左右。過大的煤柱尺寸不僅造成煤炭資源浪費，而且采空區遺留煤柱形成的應力集中現象還增加了下組煤巷道布置和圍巖控制的難度，對15#煤的正?；夭僧a生不利影響。因而進行切頂卸壓無煤柱開采對礦井資源的可持續開采具有重要意義。

1 工作面概況

97307 工作面位于寺河礦二號井九七盤區，工作面走向長度1 350 m，傾向長180 m，開采的9#煤層厚度0.98～1.87 m，平均厚度1.5 m，煤層傾角2°～8°，平均3°。工作面采用“一面兩巷”的布置方式。9#煤層直接頂為3.9 m 厚粉砂巖，單軸抗壓強度31.3 MPa； 基本頂為5.3 m 厚細砂巖，單軸抗壓強度28.8 MPa； 直接底為1 m 厚石灰巖，單軸抗壓強度41.1 MPa，如圖1 所示。

2 巷道超前補強設計

為了保證爆破切頂后巷道圍巖的穩定性，綜合考慮支護成本，采用“恒阻錨索+ 讓壓錨索”耦合支護方式，提前對巷道進行補強支護。恒阻錨索規格為φ21.8 mm×9 300 mm，距巷幫700 mm，排距1 000 mm，相鄰錨索間通過W 鋼帶連接，增加支護體整體性，恒阻值35±2 t； 讓壓錨索規格φ21.8 mm×9 300 mm，配合36 t 雙泡讓壓環使用，讓壓錨索距巷幫2 200 mm，排距2 000 mm，讓壓值30±2 t；所有錨索均垂直頂板打設，配合三根Z2360 樹脂錨固劑使用，巷道超前補強支護如圖2 所示。

圖2 補強支護

3 頂板精準定向預裂切縫設計

3.1 爆破高度

合理的爆破高度是決定切頂卸壓成功的關鍵，需綜合考慮頂板結構和垮落矸石碎脹系數兩方面因素。一是工作面頂板結構，由綜合柱狀圖可知，9#煤層覆巖依次為3.9 m 厚粉砂巖、5.3 m 厚細粒砂巖、0.5 m 厚8#煤層，巷道沿煤層底板掘進，挑頂0.9 m，根據關鍵層理論，切頂高度不宜超過H0=3.9+5.3-0.9=8.3 m； 二是保證垮落矸石充滿采空區，切頂高度按下式計算。

式中：M 為工作面采,1.5 m；Kp 為矸石碎脹系數，取1.2，計算可知H=7.5 m。

綜上所述，切頂深度暫定為8 m，即可滿足現場切頂施工要求，初步設計炮孔間距500 mm，爆破鉆孔布置如圖3 所示。

圖3 爆破鉆孔布置

3.2 裝藥結構

頂板精準定向預裂爆破優選D 型聚能管，外徑33 mm，單根長度2 m，其現場應用效果良好。炸藥選用二級煤礦許用乳化炸藥。經測算D 型聚能管每米裝藥量500 g，每根聚能管裝藥必須注滿，管內安裝兩發雷管且必須正向裝藥。為提高雷管可靠性，每根聚能管內兩發雷管并聯連線，聚能管之間采用串聯連線方式；聚能管扣板安裝緊實，外側安裝防滑倒刺，倒刺個數視現場情況而定；每孔安裝三根聚能管，裝藥長度6 m，孔口采用水炮泥封孔，封孔長度2 m，現場務必填滿搗實，防止沖孔。

3.3 爆破方式

現場試驗初期采用了不隔孔連續裝藥、隔一孔兩孔裝藥、隔一孔三孔裝藥、隔一孔四孔裝藥等多種裝藥方式進行切頂作業。根據爆破后鉆孔內裂隙發育情況，隔一孔四孔裝藥即可滿足爆破切頂需求，孔內多處形成貫通裂隙。綜合作業人員分工、配風量等諸多因素，單班一次起爆炮孔不宜超過10 個。

3.4 采空區堵漏措施

為有效防止采空區有毒有害氣體逸散至工作面造成不良影響，97214 巷定向預裂爆破作業完成后，采空區側采用“塑料網+ 鋼筋網+ 風筒布+ 混凝土”多種材料，剛柔結合進行封堵。拉架前采空區側由內向外依次安裝塑料網、鋼筋網、風筒布、U型可伸縮支架作為骨架實現擋矸和堵漏功能；后期通過多次噴漿實現頂幫交接處、局部漏風點的封堵，一次噴漿施工滯后工作面10 m 進行，優選325 硅酸鹽水泥，配合沙子、石子使用，噴漿厚度100 mm； 二次噴漿施工待留巷巷道礦壓顯現穩定后，滯后工作面200 m 進行，優選高強表固劑進行復噴，加強巷道漏風管理，擋矸堵漏支護如圖4 所示。

圖4 擋矸堵漏

3.5 其他輔助措施

（1）對巷道頂板巖層分布情況進行詳查，在97214 巷內間隔30～50 m 施工頂板鉆孔，鉆孔深度不小于爆破孔深度，利用窺視設備對鉆孔內巖層裂隙情況進行探測，掌握頂板巖層變化情況，對補強支護設計及切頂深度進行適時調整。

（2）采用預注漿方法對巷道超前支護區域頂板及兩幫進行預先加固，選用高性能無機注漿材料或高強度有機材料預先對頂板及兩幫破碎區域進行預加固，提高錨桿（索）錨固力，確保巷道圍巖完整性。

（3）單班爆破作業完成后，對爆破效果進行窺視驗證，要求爆破孔內成縫率在80%以上，如孔內裂隙發育情況不理想，通過調整爆破孔間距、單孔裝藥量增強爆破效果，確保巷道切頂效果。

4 效果分析

通過對爆破孔進行窺視驗證，孔內均已形成較為明顯的貫穿裂隙，成縫率基本在82%～90%之間，如圖5 所示。切頂卸壓后，對巷道持續變形情況進行跟蹤觀測，采空區側頂板基本實現隨采隨冒，垮落矸石完全充滿采空區，滯后工作面200 m 留巷巷道基本達到穩定狀態。由現場觀測記錄分析可知，頂底板最大移近量320 mm，兩幫最大移近量150 mm。

圖5 鉆孔窺視結果

5 結語

97307 工作面采用順槽超前補強、聚能爆破卸壓、巷幫堵漏等諸多關鍵技術，成功實現薄煤層工作面無煤柱開采?，F場礦壓觀測結果顯示，滯后工作面200 m 順槽巷道基本達到穩定狀態，頂底板移近量最大值320 mm，兩幫移近量最大值150 mm，現場應用效果良好。