杜 偉

（山西中煤華利鐵新煤業(yè)有限公司 ，山西 靈石 031300）

0 引言

切頂卸壓無煤柱自成巷技術較傳統(tǒng)留煤柱開采工藝相比具有以下技術優(yōu)勢：①降低巷道萬噸掘進率，每個回采工作面可以少掘1條巷道，降低了回采巷道掘進率；②提高資源采出率，回收區(qū)段護巷煤柱，提高工作面采出率，延長了礦井服務年限；③改善礦井生產(chǎn)條件，實現(xiàn)連續(xù)回采，使回采工作在時間和空間上連續(xù)進行，有利于生產(chǎn)集中化極大地緩解了礦井采掘銜接矛盾；④與傳統(tǒng)留巷方式相比，留巷過程中對回采的影響較??；⑤工作面改變通風方式，可采用Y或W型通風方式，避免了上隅角瓦斯積聚?；谏鲜黾夹g優(yōu)勢，在鐵新煤業(yè)展開“110”工法高效切頂試驗研究。

1 工程地質情況

9301工作面位于9號煤三采區(qū)，工作面北為井田邊界，西面、東面為未開采區(qū)，南為三采區(qū)回風巷。工作面上部2#煤、下部10#、11#煤層均為未開采區(qū)。工作面標高+420m-+480m，地面標高892m-982m，蓋山厚度482m-502m。工作面走向長度為955m，傾向長度為125m。煤層厚度1.1～1.7m，平均厚度1.28m，工作面傾角1°～9°，平均5°，采用長壁綜采一次采全高工藝，煤層采高1.6m，全部垮落法管理頂板。110工法切頂卸壓自動成巷試驗選擇在9301工作面進行，設計在9301運輸順槽切頂793m，留巷743m，9301工作面采掘工程平面圖如圖1所示。煤層直接頂為均厚8.79m的K2石灰?guī)r，自然抗壓強度為41.1MPa，抗拉強度4.06MPa，抗剪強度為9.99MPa。直接底為均厚1.94m的砂質泥巖，局部為砂質泥巖及鋁質泥巖。

圖1 9301工作面采掘工程平面圖

2 切頂卸壓方案設計

本設計采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”為主體的設計方案，首先采用恒阻大變形錨索對巷道進行補強支護，隨后進行預裂切縫爆破，切斷采空區(qū)與巷道間頂板的力學聯(lián)系，留巷可為下一工作面回采使用，針對留巷過程中不同階段回采動壓影響，對巷道采取相應的圍巖控制措施。

2.1 恒阻錨索加強支護

9301運輸巷毛斷面尺寸為5.0×2.4m，頂板支護選用Φ=18mm，L=1800mm的螺紋鋼錨桿+鋼帶+菱形網(wǎng)支護，錨桿間排距1550×2500mm；幫部選用Φ=20mm，L=1800mm的玻璃鋼錨桿+菱形網(wǎng)支護，錨桿間排距1000×800mm，矩形布置。

為了保證切頂過程和來壓期間巷道的穩(wěn)定性，在對9301運輸巷頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索補強加固。根據(jù)綜合柱狀圖分析，恒阻錨索應超出切縫孔且錨固在穩(wěn)定巖層中不低于1m，考慮到切縫參數(shù)，恒阻大變形錨索選為Ф21.8×7.3m的19芯高預應力鋼絞線，恒阻器選為HZS35-300-0.5型，托盤采用300×300×16mm平面鋼托盤，恒阻大變形錨索垂直于頂板布置，共布設1列，第一列為恒阻錨索，距留巷幫500mm，排距1000mm；第二列為普通錨索，距第一列恒阻錨索間距1500mm，第二列普通錨索排距為2000mm。第一列恒阻錨索相鄰錨索之間用W鋼帶連接（W鋼帶平行于巷道走向），恒阻器長500mm，外徑82mm，恒阻值為33±2t，預緊力不小于25t。第二列普通錨索，錨索選用Ф21.8mm×7.3m的19芯高預應力鋼絞線，托盤采用300×300×16mm平面鋼托盤，與頂板垂直，預緊力150kN，排距2000mm。9301運輸巷恒阻錨索支護圖如圖2所示。

圖2 9301運輸巷恒阻錨索支護圖

圖3 9301運輸巷“丁”字口處及其前后前后加固段錨索支護圖

考慮到9301運輸巷與9303工作面切眼交叉“丁”字口處，礦壓較大，為確保留巷效果，根據(jù)以往施工經(jīng)驗需對9301運輸巷“丁”字口處及其前后5m加強支護,將距東幫1500mm處加打第三列普通錨索共10根,排距為2000mm。9303工作面切眼口齊9301運輸巷東幫打設一排3根普通錨索，9303工作面切眼口里距9301運輸巷東幫2000mm處打設2根普通錨索加強支護。“丁”字口處及其前后9301運輸巷加固段錨索支護圖如圖3所示。

2.2 切縫參數(shù)設計

采用雙向聚能張拉爆破預裂技術，聚能爆破裝置選為CEP-1500型雙向聚能管，爆轟產(chǎn)物將在兩個設定方向上形成聚能流，并產(chǎn)生集中張拉應力，使預裂炮孔沿聚能方向貫穿，形成預裂面。預裂切縫深度（H縫）臨界設計公式如下：

式中：ΔH1為頂板下沉量；m為ΔH2：底臌量，m；K為碎脹系數(shù)，根據(jù)鐵新礦直接頂為硬度較大灰?guī)r，本設計K暫按1.5取值，根據(jù)補打鉆孔資料顯示，煤厚變化不大，在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，工作面采高取最大值1.6m時，H縫=3.2m，從CJ補7巖性柱狀圖分析，切斷關鍵層灰?guī)r巷道垮落更充分，留巷效果更好。切縫孔布置在巷幫與頂板夾角處，與鉛垂線夾角為15°（傾向采空區(qū)側），切縫孔采用深淺孔交替布置，深孔深度6m、淺孔深度2.5m，距離巷幫100mm，間距為300mm。切縫孔直徑48mm。聚能爆破采用二級煤礦乳化炸藥，擬采用炸藥規(guī)格為直徑Φ35×300mm/卷，爆破孔口采用炮泥封孔。

2.3 巷道臨時支護設計方案

距離回采工作面不同位置巷道所受動壓不同，針對不同區(qū)域采取不同的支護措施：

1）超前支護區(qū)（煤壁前方0-20m），采用單體液壓支柱進行超前支護，一排三根，間距1500mm，排距1000mm。

2）架后滯后維護區(qū)（架后0-200m），采用單體柱+π型梁“一梁四柱”臨時支護、單體液壓支柱+U型鋼可縮支架+網(wǎng)片+菱形網(wǎng)進行擋矸支護，U型鋼采用29U，網(wǎng)片采用 6mm冷拔絲1000×2000mm，網(wǎng)格100×100mm，π型梁L=4050mm，單體柱采用DW28型?！耙涣核闹迸R時支護，排距1000mm；在巷道切縫幫沿切縫線布置一排單體液壓支柱，與U型鋼可縮支架交替布置，間距600mm，單體與U型鋼可縮支架間距為300mm。

3）成巷穩(wěn)定區(qū)（架后200m之后），將臨時支護“一梁四柱”變?yōu)椤耙涣簝芍?，然后根?jù)礦壓觀測的數(shù)據(jù)分析，最終將單體支柱全部回撤，只保留U型可縮支架及鋼筋網(wǎng)進行擋矸。

3 “110”工法切縫預裂爆破后效果分析

截止目前，工作面推采296m，已留巷作業(yè)231m，爆破后切縫效果明顯、直觀，如圖4所示。從孔口觀察，相鄰炮孔幾乎能夠全部貫穿形成切縫線，又采用武漢常盛CXA12（A）礦用本安型鉆孔成像儀對孔內(nèi)進行窺視觀看，切縫孔情況裂縫明顯。

圖4 切縫孔內(nèi)爆破成像效果

9301工作面切頂卸壓自動成巷礦壓觀測主要采用尤洛卡礦業(yè)安全工程股份有限公司生產(chǎn)的Kj653監(jiān)測系統(tǒng)。在實驗段內(nèi)共布置6個測站，自留巷位置每50m布置一個測站，對巷道圍巖變形及錨索受力情況進行監(jiān)測。截止目前根據(jù)留巷礦壓監(jiān)測系統(tǒng)1#、2#點監(jiān)測點觀測得出：距離采煤工作面架后2m開始，恒阻錨索、普通錨索應力值逐漸增加，在架后7～8m處左右時，壓力數(shù)據(jù)迅速增加，在架后37-40m處時應力值緩慢增加。初步結論為工作面推采后留巷內(nèi)架后8m-40m范圍為動壓影響范圍。工作面后方留巷0～60m范圍內(nèi)，頂板平均下沉量為150mm，底鼓量為200～300mm，巷道平均高度2m；留巷60～100m范圍內(nèi)，頂板平均下沉量為250mm，底鼓量為200～350mm，巷道平均高度1.8m（該段受侵蝕構造影響）；留巷100～200m范圍內(nèi)，頂板平均下沉量為100mm，底鼓量為100～200mm，巷道平均高度為2.1m。

4 “110”工法應用的優(yōu)化

通過“110”工法技術的實施，為鐵新公司培養(yǎng)了自己的施工隊伍，目前自己隊伍已掌握施工工藝流程的操作能力，已熟練掌握切縫孔施工、留巷支護等關鍵技術，并根據(jù)現(xiàn)場實際對相關工藝進行了合理的改進，提高生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。

1）選用適用材料，減少材料消耗。在施工過程中，篩選了11種鉆頭進行試驗，經(jīng)過試驗對比，安徽澳德廠家的鉆頭優(yōu)于它家。錨索鉆頭消耗量由2～3 個 /孔減少為 0.5～1 個 /孔。

2）改變施工工藝，減少錨索施工時間。由“氣動錨桿機打眼7m深”調整為“先風動鑿巖機打眼2m+后氣動錨桿機打眼5m”的施工方法減少了錨索鉆孔施工時間。兩次改進后施工一個錨索鉆孔時間由原來的2小時30分鐘減少到1小時10分鐘。

（3）改變支護參數(shù)，增大采空側支護強度。經(jīng)過留巷段內(nèi)的礦壓觀測，恒阻錨索載荷壓力由303kN增加至400kN；且靠采空區(qū)側巷道頂板壓力增大，之后修改了“一梁四柱”臨時支護單體柱的間距布置，由1150×1150×1150修改為900×900×1650mm，以增大對留巷采空區(qū)側的支護強度，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的留巷段支護參數(shù)

4）改變支護角度，防止支護失效。經(jīng)過留巷段現(xiàn)場觀測，擋矸支護U型鋼易受到頂板垮落矸石沖擊造成的支柱傾斜；為此修改了U型鋼支護的角度，將U型鋼底腿向采空區(qū)側傾100mm，預留U型鋼受頂板下落矸石沖擊形成的變形量，防止造成U型鋼支柱傾斜。

5）優(yōu)化切縫、爆破參數(shù)。通過225m推進，目前留巷切頂冒落基本滿足要求，根據(jù)現(xiàn)場情況需進一步優(yōu)化切縫孔的間距、孔深及裝藥量，以達到及時切頂效果，進一步優(yōu)化支護參數(shù)，提高經(jīng)濟效益。

6）改變通風方式。盡管工作面瓦斯?jié)舛容^低、基本無發(fā)火跡象，但由于采空區(qū)冒落不及時，目前采用的Y型方式存在采空區(qū)通風的隱患，擬將改變Y型通風為W通風，可以有效減少采空區(qū)漏風，且改善架后留巷支護人員的作業(yè)環(huán)境。

5 結論

切頂卸壓技術經(jīng)濟效果明顯，節(jié)省了材料及動力費用，實現(xiàn)了減員增效，全年煤柱回收煤量10.8萬t。實現(xiàn)連續(xù)回采，使回采工作在時間和空間上連續(xù)進行，有利于生產(chǎn)集中化極大地緩解了礦井采掘銜接矛盾，實現(xiàn)了礦井安全高效生產(chǎn)。