张 鑫

(山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 吕梁 033602)

近年来，随着采掘机电设备不断更新、开采工艺水平不断提高以及国家能源重心向西北部的转移、去除落后产能的不断深入，厚及特厚煤层成为了今后开采的主要煤层。而综采放顶煤作为厚及特厚煤层的主要开采方法，比传统采煤方法具有优势，但其造成的采空区侧煤柱地应力高、资源采出率低、巷道维护成本高、矿井采掘衔接紧张等问题却日趋严重。切顶卸压技术可有效解决上述问题，但是现有的采空区主要采用全部垮落法，其围岩应力集中明显的问题仍未改善，对相邻工作面的掘进和回采都带来了影响。

目前，切顶卸压技术在薄煤层、中厚煤层取得了成功的应用，尤其在沿空成巷无煤柱开采技术中具有较好的技术优势，能产生较高的经济效益，但在综采放顶煤工作面的应用却很少[1-4]. 本文通过对斜沟煤矿23107工作面两巷切顶卸压技术的具体工程应用，研究矿压的变化情况，形成了特厚煤层切顶卸压安全开采技术。

1 工作面概况

斜沟煤矿23107工作面位于21采区北翼，西部为正在掘进的23105工作面，东部为实煤区，上部为18105工作面采空区。可采走向长度为3 400.5 m，倾向长度为247.8 m，煤层平均厚度为14.35 m，倾角8.8°左右，煤层普氏系数大于2，属较硬煤层。煤层埋藏深度为192～330 m，与8#煤层层间距约为53 m. 23107工作面采用综合机械化低位放顶煤开采方法回采，顶板运移空间大，矿压显现强烈，现场根据同采区工作面顶板管理经验控制工作面和两巷的顶板，缺乏系统科学的依据，造成顶板管理困难，支护材料消耗量大，煤柱留设多，丢煤现象严重。合理有效的应用切顶卸压技术管理顶板，成为特厚煤层高效、安全生产必须攻克的关键技术难题。

2 工作面及两巷矿压分析

2.1 工作面矿压分析

煤层在回采过程中会导致应力重新分布，依次形成减压区、增压区、稳压区。由于23107工作面采高较大，在煤壁前方形成的峰值应力较大。与此同时，上覆8#煤层采空区形成的应力平衡区也会受到采动影响，发生应力重新分布，使得23107工作面在回采过程中受叠加应力的作用，矿压显现强烈，见图1.

图1 工作面应力分布图

顶煤的存在对基本顶运动效应产生一定的弱化，使得综采放顶煤工作面控顶对象变为顶煤和直接顶，根据直接顶厚度计算公式(1)[5]，可得出直接顶厚度为31.1 m，即直接顶的顶部位于11#煤上方的泥岩中。

(1)

式中：

H—直接顶厚度，m；

h—煤层采高，m，取3.6；

T—顶煤厚度，m，取10.75；

η—顶煤的放出率，取0.8；

KA—顶煤垮落后的碎胀系数，取1.3.

由于顶煤从开始垮落到放完是一个动态变化的过程，直接顶的厚度在此过程中也是动态变化的。随着直接顶不断地断裂、回转失稳、垮落，给工作面液压支架支护带来很大的冲击，严重的还会发生压死架甚至冒顶。而13#煤与8#煤之间的岩层以泥岩、砂岩为主，强度较低，不存在整体稳定性好、自承载能力强的关键层。因此，在直接顶垮落压实过程中仍会给其上覆的岩层留下较大的运移空间，甚至会导通上覆8#煤层已采工作面采空区，对工作面支架及煤壁产生强烈的动载矿压。

2.2 两巷矿压分析

23107工作面材料巷沿煤层底板掘进，上覆约10 m的顶煤，再往上依次为5.36 m的泥岩，4.49 m的中细粒砂岩；23107工作面皮带巷沿煤层顶板掘进，上覆5.36 m的泥岩，4.49 m的中细粒砂岩。

随着工作面不断回采，作用在两巷围岩上的应力会重新分布，形成侧向支承应力，在巷道及煤柱上方形成应力峰值区，应力峰值可达原岩垂直应力的2～3倍，造成本工作面巷道矿压显现强烈。 其影响范围为15～30 m，而工作面保护煤柱设计为20 m，严重影响相邻工作面的掘进及回采。考虑到顶板支护安全及减少煤炭资源浪费，采用深孔切顶卸压爆破技术对两巷进行定向聚能爆破释放顶板压力，改善围岩应力环境，减小巷道周围塑性破坏区的范围。

3 工作面及两巷顶板控制

3.1 工作面顶板控制

针对综采放顶煤工作面特殊的顶板控制结构，结合以往综采放顶煤工作面生产实践经验，采用减小循环进度、增加循环次数、加快推进速度的采煤工艺，并在放顶煤过程中，除靠近材料巷的3台液压支架不放煤，其余支架采用多轮均匀放顶煤的放煤工艺。通过对采煤工艺和放煤工艺的优化合理控制工作面顶板。

3.2 两巷顶板控制

为避免对相邻工作面掘进及回采的影响，采用深孔爆破切顶卸压的方法直接在两巷煤柱帮侧切断顶板，使其在自身重力和上覆岩层压力的共同作用下沿预裂缝滑落至巷道底板[6-7]. 切顶卸压采用矿用三级乳化炸药、聚能PVC管、水炮泥等材料进行爆破。爆破前先在两巷煤柱帮侧顶板各打设一排间距为1 000 mm的切顶炮孔，材料巷炮孔打设深度为19 m，皮带巷炮孔打设深度为9 m，然后将炸药通过聚能PVC管送入孔底，依次加入黄土、水炮泥、黄土封堵炮眼，最后利用雷管一次起爆预裂顶板，形成一条切缝，配合顶板压力完成对两巷及煤柱上覆岩体的切顶卸压，将应力定向转移至围岩深处。23107两巷炮眼施工见图2，图3.

图2 23107材料巷炮眼施工断面图及A向图

图3 23107皮带巷炮眼施工断面图及B向图

4 效果分析

23107工作面现场液压支架压力监测曲线图见图4.由图4可以看到，切顶卸压前工作面液压支架的工作阻力达到37.3 MPa，皮带巷端头支架的工作阻力达到25.8 MPa，材料巷端头支架的工作阻力达到25 MPa；在对顶板切顶卸压后一周工作面液压支架的工作阻力减至27.95 MPa，皮带巷端头支架的工作阻力减至13 MPa，材料巷端头支架的工作阻力减至11.4 MPa. 可见切顶卸压效果较显著，可满足该工作面回采及相邻工作面掘进的需要。

图4 压力现场监测曲线图

5 结 论

1) 通过对23107工作面及两巷顶板矿压进行分析，得出矿压显现的规律，并采取两刀一放、两轮放煤等优化工艺及切顶卸压的技术，改善了顶板应力环境，减少了对相邻工作面掘进和回采的影响。

2) 根据压力现场监测得到的数据，可以看到切顶卸压之后工作面支架的工作阻力得到了明显的减小，两巷顶板卸压效果明显。