刘文伟

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600）

1 工程概述

18506工作面走向长1302m，倾斜长251m。工作面所采煤层为石炭系太原组8号煤层，平均厚度约为4.43m，煤层倾角平均约为4°。直接顶是深灰色泥灰岩，厚度约为2.32m。老顶是灰色粉砂岩，层厚约为2.33m。直接底是灰黑色粉砂质泥岩，厚度约为4.87m。由于工作面回采后会遗留煤柱，造成资源浪费。为了减少煤炭资源浪费的现象，决定在18506运输巷进行切顶卸压沿空留巷。巷道布置如图1所示。

图1 工作面巷道布置

2 切项卸压沿空留巷原理

2.1 切项卸压沿空留巷可行性分析

由于18506工作面煤层埋深较大，且顶板为泥砂岩，底板为粉砂质泥岩。采用传统的砌筑矸石带和支设密集支柱会引起巷帮支承压力过大，从而导致巷道变形严重。如果选用充填材料留设巷道，费用较大，影响经济效益。综上所述，决定在运输巷采用切顶卸压沿空留巷的布置方式。

2.2 切顶卸压沿空留巷技术原理

切顶卸压沿空留巷技术的作用原理就是，使采空区顶板沿着定向爆破的切缝线自然垮落下来，掉落的岩体形成新的巷帮。沿空留巷可以减少煤矿生产的掘进量，降低生产成本。

切顶的高度、切顶的角度以及爆破的钻孔间距是决定留设巷道好坏的决定性因素。想要完整的切下直接顶，就要确定好预裂切顶的高度。切顶的角度会影响剪切面之间的摩擦力，进而决定顶板是否彻底垮落。此外还需优化爆破钻孔的间距，避免爆破过程中破坏想要保留的完整岩石块。

2.2.1 切顶高度分析

预裂切缝深度设计公式如下：

式中 ΔH1：顶板下沉量，m；ΔH2：底鼓量，m；K：碎胀系数，这里取1.4；

由于工作面煤层顶板为较为坚硬的泥砂岩，在切顶后能够保持良好的完整性。在这种情况下，上方的压力能够更好的传递到顶板，从而使巷道的顶板承担更少的压力，提高巷道的稳定性。综合上述种种原因的考虑，最终决定模拟7m、9m和12m的切顶高度，以此来确定最后合适切顶高度。

2.2.2 切顶角度分析

根据岩石的碎胀性可知，如果直接沿着巷壁垂直向上切顶，破碎的顶板岩石会挤压巷道顶板，致使采空区顶部不能垮落，巷道顶板会承担一部分压力。这样留下的巷道会发生大范围变形，影响自身稳定性。为了较少采空区顶板及巷道顶板间的摩擦力，需要斜着向上切落顶板，具体的斜切角度可以参照以下公式：

式中：L为直接顶悬臂梁长度，取18～25m;LR为巷道宽度,取5m;hg采空区高度(取3.5m)

根据工作面的具体参数，代入上述公式，得出切顶的角度在10°～15°之间。

2.2.3 预裂爆破间距分析确定

切顶高度和切顶角度的分析已经在上文详细讨论。结合上述的分析，现决定采用聚能爆破管及乳化炸药进行定向爆破。聚能爆破管的规格为φ48mm×1500mm。聚能爆破管内放置规格为φ32mm×200mm的三级乳化炸药。爆破孔间距设置为600mm。聚能管安装于爆破孔内，每孔放置5根聚能管，封孔长度为2.25m。沿工作面回采方向，放置爆破聚能管进行切缝。布置方式如图2所示。

图2 爆破孔布置图

3 切顶卸压关键参数分析

经过上述对切顶高度、切顶角度以及爆破孔间距的详细讨论，需要最终确定最佳的切顶施工参数。因此，决定采用数值模拟软件，模拟分析实施各个切顶高度以及切顶角度后，留巷效果的质量，选择最合适的参数。物理模型的高度为46.2m，模宽度为210m，模型长度为580m。并且在巷道上方施加近似岩层自重的176.4MPa载荷。固定模型后，进行数值模拟。

1）切顶高度分析确定

模型建立后，赋予相应的力学参数。应力平衡后，分别对7m的切顶高度，9m的切顶高度，以及12m的切顶高度进行数值模拟。模拟结果如图3。

图3 不同切顶高度垂直应力分布云图

根据图3的模拟结果可以看出，当切顶的高度设置为7m时，直接顶并没有被贯穿，这种情况下巷道顶板依然会受力，不利于巷道稳定。9m的切顶长度完全贯穿了顶板，上覆岩层作用在采空区顶板上，这种情况下采空区顶板与巷道顶板间的挤压力小。同时，巷道的变形量也小有利于保持长期的稳定性。12m的切顶高度虽然同样贯穿了顶板，但是直接顶垮落的高度较大，巷道帮部可能会受到直接顶回转挤压，留巷的质量不能得到保证。结合上述分析，9m的切顶高度留巷效果最好。

2）切缝角度分析确定。

通过上述的计算分析及讨论，最终决定分别采用10°的切顶角度和15°的切顶角度模拟顶板的垮落情况。得到如图4的模拟结果。

图4 不同切缝角度垂直应力图

根据图4的切顶角度模拟结果图可以看出，当把切顶角度设置为10°时，采空区顶板和巷道顶板之间的挤压力不强，但是巷道侧帮附近出现了应力集中现象。这样的情况非常不利于巷道的后期维护。当把切顶的角度设置为15°时，采空区顶板及巷道顶板间的摩擦力较小，并且巷道顶板的变形量不大。与此同时采空区顶板的变形较大，这样巷道侧帮就不会受到回转挤压力，后期的巷道稳定性能够得到保障。因此选取15°的切顶角度，留巷质量更好。

4 方案设计及切顶效果分析

4.1 支护设改进

在进行切顶卸压沿空留巷方案前，还需要考虑原有的巷道支护方案是否能够继续维持巷道周围围岩的稳定性，为了更好的保证切顶卸压后，巷道维持较好的稳定性，在原有的巷道支护方案的基础上，增加恒阻大变形锚索来进行加强支护。结合工程实际情况，提出如图5的支护设计方案。

图5 巷道支护断面参数

18506运输巷断面尺寸为4.5×2.8m，巷道采用锚杆+金属网+锚索联合支护方式。原本的支护方案是在顶板布置锚杆。锚杆的规格为Φ22×2400mm。锚杆的材质是左旋螺纹钢。锚杆间排距860×1000mm。顶板的锚索规格为 Φ21.6mm×7300mm。锚索为钢绞线锚索。锚索托盘的规格为285×285×16mm。在巷道的两帮布置锚杆，间排距为800×1000mm。锚杆的规格为Φ20×2200mm。材质与顶板锚杆相同。在原有的支护基础上，在顶板布置恒阻大变形锚索。锚索的规格为Φ21.8×8300mm。锚索的恒阻器长度为300mm，外径72mm，恒阻值为33±2t，预紧力不小于28t。将恒阻大变形锚索隔空布置在原有锚索中间的位置，并且将恒阻大变形锚索的间排距设置为2000mm。

4.2 沿空留巷效果分析

为了进一步验证沿空留巷的效果，将施工后的运输巷掘进面后50m作为试验段，对试验段每隔10m处断面安装多点位移计，进行为期15天的跟踪监测，试验段所得监测数据整理如图6所示。

图6 掘进过程中巷道断面围岩变化

由图6可知，巷道顶板下沉量随时间增长逐渐增大，最后稳定在400mm，两帮移近量随时间增长逐渐增大，最后稳定在120 mm。跟踪监测巷道一段时间后，发现巷道顶板稳定，两帮也没有发生大变形。说明在15天内巷道顶板及两帮一直处于不断变形的阶段，最终趋于稳定。沿空留巷后，巷道两帮及顶底板的变形均控制在允许范围内，能够满足巷道通风及行人的要求。因此沿空留巷效果良好，在掘进过程中巷道能正常安全的使用。

5 结 语

矿区以往会留设大量煤柱，造成资源浪费。为此，在18506工作面进行切顶卸压沿空留巷。为了保证留巷效果的质量，在切顶前对巷道进行了加强支护。运用数值模拟软件，确定了最佳的切顶高度和切顶角度。切顶卸压沿空留巷后，进行了后续的监测，发现巷道顶底板及两帮的变形量均保持在允许范围内，说明留巷效果良好。同时也为类似条件的煤矿实施沿空留巷提供了指导。