切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术

这是中国矿业大学（北京）朱珍博士所在团队的研究成果。研究分析了切顶卸压沿空留巷碎石巷帮的形成机理，提出了“侧向动静结合、纵向伸缩让压”的碎石巷帮控制思路，针对不同煤层开采厚度开发了3种不同的碎石巷帮控制结构。

何为切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术?

切顶卸压沿空留巷示意

通过超前工作面一定距离，采用双向聚能张拉成型爆破技术预先对顶板进行定向预裂爆破切缝，切断巷道顶板与采空区顶板的应力传递，利用矿山压力和岩体碎胀特性，使采空区顶板岩层沿设定轨迹自然垮落，垮落后的矸石在挡矸支护结构的防护作用下形成巷道一帮(即碎石巷帮)，并作为巷道顶板岩层结构的一个支撑点，将上覆岩层荷载部分地传递至采空区。

切顶卸压沿空留巷围岩结构模型

随着工作面向前推进，采空区侧切顶岩层逐渐垮落，上位基本顶岩层逐渐弯曲下沉，当达到其极限跨距后产生断裂并形成关键块体。

巷道上方基本顶关键块体B在实煤体侧断裂位置通常位于实煤体里侧，断裂点距煤壁的水平距离可通过极限平衡理论导出。断裂后关键块体B将绕其断裂点产生回转下沉，直至其采空区端触矸并将矸石压实，此时关键块体B形成一端由实煤体支承、另一端由采空区矸石支承的大结构。

研究人员根据已有研究成果及现场对切顶卸压沿空留巷工作面后方采空区矸石垮落过程的观察，将采空区矸石的运动过程分为两大阶段，即快速垮落阶段和缓慢压实阶段。

矸石与支护结构作用关系

研究人员认为，采空区矸石对碎石巷帮支护结构的侧向挤压力呈现较明显的时空特性。依次为：冲击作用最强——似静态挤压作用——静态挤压力。

(1) 在矸石垮落初期，即靠近工作面液压支架较近的位置，矸石的垮落运动对支护结构存在一定动态冲击作用，冲击力大小一般与采高呈正相关，采高越大，矸石垮落前势能越大，垮落时产生动能越大，因此对支护结构冲击作用越强。

(2) 当滞后工作面液压支架一定距离，矸石运动进入到缓慢压实阶段以后，矸石对支护结构产生似静态挤压作用。

(3) 当滞后支架较远距离，矸石被压至密实后，围岩结构再次达到平衡状态，此时矸石对支护结构的侧向挤压力为静态挤压力。

碎石巷帮稳定性控制体系

碎石巷帮支护结构不仅需在采空区矸石的不同运动阶段具备不同的侧向支护性能，同时还应能适应巷道顶板回转下沉对其产生的“给定变形”特征。

针对上述特点，提出“侧向动静结合、纵向伸缩让压”的碎石巷帮稳定性控制理念。

针对不同采高提出3种碎石巷帮支护结构，即“可伸缩U型钢+单体支柱+金属 ”结构(Ⅰ，采高3 m)。

碎石巷帮支护结构模型Ⅰ

碎石巷帮支护结构模型Ⅱ

碎石巷帮支护结构模型Ⅲ

工程应用

以瑞能煤矿薄煤层试验工作面为例。

瑞能煤矿碎石巷帮支护效果

碎石巷帮采用“可伸缩U型钢+单体支柱+金属 ”进行支护。其中可伸缩U型钢(25U)间距500 mm，相邻两架可伸缩U型钢采用金属拉杆铰接连接;单体支柱间距500 mm，与可伸缩U型钢间隔均匀布置，并贴紧金属拉杆;金属 为直径6 mm、 孔100 mm×100 mm的钢筋 片。

结果表明，在支护过程中，U型钢未出现严重弯曲变形现象，碎石巷帮无明显侧鼓现象，取得了良好的应用效果。

以柠条塔煤矿厚煤层试验工作面为例。

厚煤层碎石巷帮支护效果

碎石巷帮采用“可伸缩U型钢+切顶护帮支架+防冲板+金属 ”进行支护。其中可伸缩U型钢间距600 mm，切顶护帮支架间距2.4 m，每架切顶护帮支架侧向支撑四架可伸缩U型钢，防冲板长度约6 m，挂设在端头支架后方并随端头支架拉架而前移。

结果表明，在支护过程中，U型钢未出现严重弯曲变形现象，切顶护帮支架未产生明显倾斜，碎石巷帮无明显侧鼓现象，取得了良好的应用效果。

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