切顶卸压技术在岳城煤矿1309工作面的应用.pdf

422019 年第 12 期 收稿日期 2019-06-30 作者简介 刘伟（1990-），男，山西晋城人，2019 年 7 月毕业于 山西大同大学采矿工程专业，助理工程师。 切顶卸压技术在岳城煤矿 1309 工作面的应用 刘 伟 （山西晋煤集团沁秀公司岳城煤矿，山西 晋城 048006） 摘 要 针对岳城矿 1309 工作面顶板围岩应力大、煤柱留设不合理等现状，提出了应用切顶卸压技术进行留巷，制定了 配套的临时加强支护、切缝、挡矸等护巷措施。经过现场验证，切顶卸压段顶部和采空区侧变形都在规程允许范围之内， 巷道成型效果良好，为该矿煤柱优化设计提供了技术依据。 关键词 切顶 留巷 技术 中图分类号 TD322；TD353 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2019.12.017 Application of Roof Cutting and Pressure Relief Technology in the 1309 Working Face of Yuecheng Coal Mine Liu Wei Yuecheng Coal Mine, Qinxiu Company, Shanxi Jincheng Anthracite Coal Mining Group, Shanxi Jincheng 048006 Abstract In view of the present situation of the 1309 working face in Yuecheng Coal Mine, such as the high stress of roof surrounding rock and unreasonable coal pillar setting, this paper puts forward the application of roof cutting and pressure relief technology to retain roadway, and takes supporting measures such as strengthened temporary support, seam cutting, gangue blocking and so on. The field verification shows that the deation of the top and the goaf are both within the allowable range of the regulations, and the roadway ing effect is good, which provides a technical basis for the optimization design of the coal pillar in the mine. Key words roof cutting gob-side entry retaining technology 切顶卸压留巷技术是一种新型巷道布置技术， 核心是通过水力压裂或定向爆破等方式，对采空区 一侧顶板进行人工致裂，将顶板围岩应力的传播通 道切断，有效降低巷道及工作面顶板应力，并通过 补强顶板、临时支护和挡矸支护的共同作用下实现 无煤柱开采，达到提高巷道掘进效率、降低开采成 本、提高煤炭回收率的目的。目前该技术已在中厚 以下煤层矿井得到成功应用。据不完全统计，切顶 卸压能使掘进效率提高 2535，使工作面回采 率提高 1530[1]。该项技术对提高矿井资源回采 率、实现矿井安全生产尤为重要。 1 概况 1309 工作面是岳城矿东翼最后一个采面，所 采煤层为 3煤，北为东翼主要大巷，西为Ⅲ 3308 （下）工作面（已回采），东、南均为矿界。煤层 底板标高为 376.5408.8m，煤层平均厚度 6.26m， 采煤厚度为 2.93.1m，煤层倾角为 14，平均 3。 13091 巷为该面进风顺槽切顶巷道，锁口段断面为 6.12.4m， 顺槽段为4.42.4m。 根据巷道设计要求， 巷道保护煤柱宽度一般为 30m，造成了大量的煤炭 资源损失，且 1309 面作为最后一采面，顶板所受到 的集中应力最大，对尾巷支护和采空区瓦斯治理都 会造成很大威胁。因此非常有必要在 13091 巷试验 应用切顶卸压留巷技术， 确保工作面安全高效回采。 2 研究内容 切顶卸压技术原理对比如图 1 所示。 由图 1 可知，未采用切顶卸压的巷道会受到来 自采空区侧的横向推力（F推）、煤柱对上部围岩的 纵向摆力 F转及自重 FG三个力的综合作用，是造成 巷道推移变形的主要原因 [2]。而切顶卸压则直接将 采空区侧顶板直接纵向切断，使采空区老巷顶板整 432019 年第 12 期 体垮落，只需对顶板围岩自身重量进行支护，巷道 维护难度大大降低。 图 1 切顶卸压技术对比图 对 1309 工作面采用切顶卸压和恒阻大变形锚 索补强相结合，对开采煤层围岩进行地质力学特征 分析，得出理论研究切顶高度、切顶角度、炮孔间 距等预裂参数，分析现有支护情况下巷道围岩的变 形特征，研究该种顶板条件下的支护机理，确定切 顶卸压沿空留巷超前加固支护参数及配套技术，分 析工作面后方矿山压力动压影响区范围，确定滞后 临时支护参数和恒阻锚索规格。 3 实施方案 3.1 巷道补强加固 在顶板预裂前，首先使用恒阻锚索、让压 锚索及 W 钢带对 13091 巷顶板进行补强加固。 结合 13091 巷地质条件，补强锚索长度暂定为 9300mm，直径 21.8mm。锚索加固分为两个区域， 第一个区域为沿空留巷起始位置的锁口加固区域 ①～②段 ，第二个区域为沿空留巷中间段加固区 域 ②～③段 。如图 2 所示。 图 2 13091 巷补强加固示意图 沿空留巷起始位置的锁口加固在沿空留巷的 起始位置①～②段，打设密集锚索进行巷道锁口加 固和补强支护，如图 3 所示。 图 3 锁口段补强支护断面图 对①～②段锁口补强支护采用 7.3m 的恒阻锚 索，每排 4 根，间距 1m，排距 1m。顶板区域采用 让压锚索与 W 钢带相连接，暂定让压值为 302t， 预紧力不小于 25t。 沿空留巷正常段加固在沿空留巷的②～③段 打设恒阻大变形锚索 和常规锚索 加固，如图 4 所示。 图 4 正常段补强支护断面图 在 顶 板 共 打 设 2 列 锚 索， 钢 绞 线 采 用 Ф21.89300mm。第一列采用恒阻锚索补强，距留 巷帮 700mm，排距 1m；第二列采用让压锚索补强， 与第一列间距 1.5m，排距 2m；锚索垂直于顶板方 向布置，让压值为 302t，预紧力不小于 25t。 3.2 定向预裂切缝 （1）钻孔角度。根据采高的不同，顶板定向 预裂钻孔角度结合顶板岩石力学参数、工作面顶板 垮落情况、煤层倾角等因素综合确定，选择切缝角 度为 15，方向为铅垂方向，倾向采空区侧。 （2）钻孔深度。结合预裂切缝深度 H 缝 临 442019 年第 12 期 界设计公式 [3]，初步分析顶板岩层分布状况及关 键层位等现场实际，将切顶深度 斜长 暂定为 16m。 （3）钻孔间距。13091 巷顶板为砂岩，根据以 往的施工经验，为保证最终的切缝效果，炮孔间距 采用 500mm、600mm、700mm 三种方案试验。最 终通过现场钻孔预裂爆破的窥视效果，确定最佳的 钻孔间距。本方案参数暂按 500mm 间距来计算。 （4）切缝孔布置。设计切缝孔距工作面帮 200mm，沿 13091 巷顶板平行布置一排，间距暂定 500mm，切缝孔直径 Φ45mm，深度 8m。 3.3 定向预裂爆破 根据 13091 巷顶底板围岩条件，直接顶与基本 顶距离为 13.3m，爆破孔深 12m 左右，炮眼之间间 隔 0.8m，每孔装药 20 卷，使用两枚电雷管（单电 雷管阻值≤0.1Ω） ， 使用双缝定向预裂管进行装药， 如图 5 所示。 图 5 爆破预裂装药示意图 3.4 临时加强支护 对工作面支架进行临时加强支护，超前切顶区 位于超前支护区之前，在这个区域内主要进行超前 预裂切缝及顶板补强支护。超前预裂爆破及顶板补 强支护应在超前支护区随工作面推进过来之前完 成，切缝位置应超前工作面 30m。成巷稳定区位于 之后滞后临时支护区之后，工作面附近的顶板运动 对巷道产生较小的影响，且采空区内顶板岩层运动 基本趋于稳定，此时回撤滞后临时支护，只保留巷 帮挡矸防护即可。滞后临时支护区域位于工作面后 方 200m 范围，实施沿空留巷后，根据现场观测矿 压观测结果再优化滞后临时支护区长度，进一步优 化其他工艺。 3.5 巷帮挡矸防护 工作面后方留巷巷帮采用“挡矸金属网 钢筋 网 可伸缩 U 型钢 木板背帮”进行挡矸防护， 为防止移架后顶板直接垮落窜入巷道，应做到移架 后及时将挡矸金属网 钢筋网 和可伸缩 U 型钢与 过渡支架平行安装，若移架前、端头支护移动前没 有安装到位，则不能移架、不能前移端头支护。巷 帮挡矸防护设计如图 6 所示。 图 6 巷帮挡矸防护设计示意图 金属网 钢筋网 相互搭接组成挡矸金属网， 使用 29U/1800-01 型可缩性 U 型钢支架，搭接长度 不小于 1000mm，间距 500mm，每排 1 组可伸缩 U 型钢。对留巷帮与可缩性 U 型钢支架接触不充分 部位，采用木板背帮。端头过渡支架移架后，紧贴 支架先搭接挡矸金属网，再架设挡矸 U 型钢，挡 矸金属网和挡矸 U 型钢都位于切缝下方靠巷道采 空区一侧，紧贴切缝边缘，与液压支架平行布置。 单杠 U 型钢下扎不小于 100mm，在架设前需要做 柱窝，柱窝低于巷道底板 100mm，长 宽 高 180mm140mm100mm。 4 现场验证 本项目于 2018 年 6 月在 1309 工作面进行了切 顶卸压，在 13091 巷和工作面回风巷相同位置分别 进行了切顶效果考察。其未切顶段（图左）和切顶 段（图右）对比效果如图 7 所示。 图 7 切顶卸压段效果对比图 由上图可见，未切顶段顶部工字钢棚梁中部已 明显变形，采空区侧巷帮柱腿受挤压弯曲严重，切 顶卸压段顶部和采空区侧变形不大，巷道成型效果 较好。说明来自上方围岩和采空区侧的叠加应力是 造成巷道变形的主要原因，切顶后基本消除了巷道 顶部和侧向的叠加应力，实现了巷道的支护安全。 5 结论 对岳城煤矿 13091 巷进行了切顶卸压试验，根 据现场顶板围岩特性、厚度确定了切缝位置、预裂 深度、爆破强度、钻孔角度、深度间距和切缝孔布 置等一系列具体技术参数，提出了配套的巷道临时 加固和挡矸措施，形成了符合岳城条件的切顶卸压 关键技术体系。经过现场验证，切顶卸压段顶部和 （下转第 50 页） 502019 年第 12 期 ［2］ 王飞 . 大断面煤巷稳定性及预应力桁架锚索支护 [J]. 山西煤炭，2019，39（01）38-41. ［3］ 岳栋 . 主排水泵房硐室返修支护技术 [J]. 煤矿现 300mm120mm16mm 的厚钢垫片，钢垫片开孔 直径为 25mm。 3.2 巷帮支护 巷道两帮锚杆支护所用锚杆材质和规格、锚杆 托盘及金属网的规格参数以及锚杆排距等均与巷道 顶板锚杆支护保持一致，不同之处在于锚杆间距和 钢筋梯梁圆钢直径不同。巷帮每帮每排布置 4 根锚 杆，间距 1000mm，上部距顶板 300mm，上仰 15 打设，下部距底板 600mm，下倾 15打设，中部 2 根锚杆垂直巷帮打设。锚杆采用直径 12mm 圆钢焊 接钢筋梯梁连接，长 3500mm，内宽 60mm，外宽 85mm。另外，煤柱侧巷帮采用锚索补强，锚索采 用直径 17.8mm、长 5250mm 的 119 预应力钢绞 线，“2-2”形式布置，锚索排距与锚杆保持一致， 锚索和锚杆间隔布置。上部锚索距顶 1700mm， 上仰 15打设，下部锚索距底 1200mm，下倾 15打设。采用配套 Q235 型的蝶形托盘，规格为 300mm300mm16mm。巷道支护断面图如图 5 所示。 4 结语 （1）特厚煤层留小煤柱沿空掘巷由于巷道顶 板为厚弱煤体，其自身强度低，承载能力弱，需要 加强其顶板控制，加之小煤柱受上区段工作面采动 应力影响，煤柱产生塑性破坏，承载能力降低，该 侧巷道顶板下沉量较大，在加大顶板控制强度的基 础上，需对煤柱进行加固，提高煤柱对巷道顶板的 支撑力，使巷道围岩形成一个整体，共同承载。 （2）5211 回风巷试验表明，“锚索 - 槽钢组 合支护 帮部高强锚索支护”的联合支护技术能够 实现巷道围岩整体承载，提高巷道围岩整体性，围 岩变形得到有效控制，完全能够满足安全生产需要。 图 5 巷道支护断面图 【参考文献】 ［1］ 孙浩，王文，朱俊凯，等 . 特厚煤层沿空掘巷围 岩控制技术研究 [J]. 煤炭工程，2017，49（03） 79-82. ［2］ 田柯，任亚军，徐春虎，等 . 超长推进距离综采 工作面顺采沿空掘巷技术研究 [J]. 煤炭工程， 2019，51（01）55-59. ［3］ 郭金刚，王伟光，岳帅帅，等 . 特厚煤层综放沿 空掘巷围岩控制机理及其应用 [J]. 煤炭学报， 2017，42（04）825-832. ［4］ 赵涛，孙铭阳，王珂 . 深部沿空掘巷围岩控制技 术 [J]. 山东煤炭科技，2016（09）8-9. ［5］ 张昆 . 沿空掘巷围岩应力演化规律探究 [J]. 山东 煤炭科技，2016（08）30-3133. ［6］ 董明晖，赵德帅 . 基于非均称控制的沿空掘巷围 岩控制技术研究[J].山东煤炭科技， 2018 （02） 5-7. 采空区侧变形都在规程允许范围之内，巷道成型效 果良好，为该矿沿空掘巷顶板控制提供了可靠依据。 【参考文献】 ［1］ 齐宏伟，刘永立，冯俊杰，等 . 桃山煤矿切顶巷 防冲机理数值分析 [J]. 煤炭技术，2013（02） 26-27. ［2］ 谢承煜，罗周全，贾楠，等 . 缓斜极厚矿体开采 安全切顶厚度研究 [J]. 采矿与安全工程学报， 2013（02）58-59. ［3］ 柴正芳 . 不稳定顶板工作面切顶排支护方式探讨 [J]. 山东煤炭科技，1999（S1）33-3437. 代化，2018（06）10-12. ［4］ 刘炳权 . 大断面煤巷锚杆桁架联合支护技术 [J]. 能源与环保，2018，40（03）180-184188. （上接第 44 页） （上接第 47 页）