煤矿切顶卸压沿空留巷无煤柱开采（110工法）恒阻大变形锚索支护与定向聚能爆破切顶工程指南

摘要与核心技术全景

在我国煤炭工业传统长壁采煤工艺中，为了隔绝邻近采空区的瓦斯、水患并消除上一工作面剧烈动压对下个工作面的剧烈冲击，行业普遍沿用了上百年的“留设区段隔离煤柱（护巷煤柱）”开采模式。根据不同埋深与围岩赋存条件，每个综采面两巷之间通常必须永久滞留宽度达 20 米至 45 米的煤体：

1. 资源浪费极其惊人： 一个长达 2000 米的综采工作面，单条隔离煤柱白白压死的优质煤炭储量就高达 30 万至 60 万吨，折合直接资产流失达数亿元，全矿采区采出率长期在 60% 左右的低位徘徊；
2. 高应力集中与冲击地压策源地： 隔离煤柱处于两侧采空区千万吨覆岩重力的联合碾压之下，煤柱内部支承压力集中系数常常高达 2.5~4.0 倍。当下一工作面采煤机推过时，极易诱发能量等级在 $10^5 ext{ J}$ 以上的特大强冲击地压事故，底板瞬间暴鼓弹射、支架倾倒损坏；
3. 掘进工程量巨大、接续极度紧张： 传统模式必须“采一面、掘双巷”，掘进进尺长、队伍多、工期赶，矿井长期处于“采掘接替失衡、采面停产等顺槽”的被动泥潭。

由何满潮院士团队开创并由中矿天智联合国内顶级矿业大学工程化落地的“切顶卸压沿空留巷无煤柱开采成套技术（110工法）”，从围岩力学本源上颠覆了传统矿山压力控制理论。该技术变以往被动硬抗高压为“主动预裂卸压+垮落矸石自成巷帮”，将开采当期的回风顺槽或运输顺槽原位保留为下一工作面的回风顺槽，实现了“采完本工作面、留下一条现成巷道”的绿色开采奇迹。

本文从悬臂梁断裂力学、双向聚能定向切割爆破、NPR 恒阻大变形锚索吸能支护到现场采空区防漏风密闭喷浆，全方位奉献一线工程级落地指南。

一、 悬臂梁切顶切缝力学与矸石自成帮机理剖析

1.1 顶板从“悬臂大杠杆”到“平稳小积木”：切顶留巷大白话解释

很多现场采矿队长常问：把采空区那一侧的巷道顶板硬生生炸断，巷道难道不会跟着直接塌下来吗？没有煤柱挡着，采空区的石头怎么能自己站住变成墙？

其背后的力学转换过程，可以形象地比喻为“锯断长扁担与碎石装袋成墙”：

• 传统开采的“长杠杆压死巷道”： 在未切顶的巷道上方，采空区坚硬的基本顶像一根几十米长的“水泥长扁担”。扁担的一头悬挂在几百米宽的采空区悬空，所有的下沉重力与杠杆弯矩，全都以巷道两帮和煤柱作为“支点”狠狠向下死压。巷道顶板在这股巨大的剪切力作用下，哪怕打再多传统钢绞线锚索，也会被瞬间拉断、压垮；
• 聚能爆破的“定向预裂切刀”： 110工法在工作面尚未推过之前，就在巷道靠近采空区一侧的顶板上，斜向上（通常向采空区侧倾斜 15度~20度）打出一排排密集深孔，装入特种双向聚能管。爆破瞬间，爆炸能量不向四周乱炸，而是像一把锋利的高速手术刀，只沿着设计切缝线方向定向劈开一道平整贯通的深部预裂面，将巷道顶板与采空区巨厚悬臂大梁在物理上彻底切断隔离；
• 垮落矸石的“碎胀自充填垫层”： 工作面推过之后，采空区上方的坚硬顶板失去了与巷道的牵连，顺着切缝面迅速自发向下平直垮落。原本 1 立方米致密的整块坚硬砂岩，碎裂垮落后体积会自然膨胀至 1.3~1.5 立方米（碎胀系数）。这堆堆积如山的碎石很快就把采空区填得严严实实，甚至向上顶住了更高层的上覆岩层；
• 金属网与护帮桩的“天然石头墙”： 留巷侧通过预先布置的工字钢柱、锚网和阻燃高强防护网，将垮落边缘的矸石稳稳挡在巷道界限之外。随着工作面推远，采空区矸石在千万吨覆岩重压下被彻底夯死压实，变成了一堵数米厚、坚如磐石的“天然矸石支撑承载帮”，如图2工艺流程所示。

1.2 传统护巷煤柱开采与 110 切顶留巷开采核心技术经济对比速查表

二、 核心关键装备选型与聚能切顶定向爆破工艺

2.1 恒阻大变形锚索（NPR 锚索）与双向聚能管硬件配置

普通热处理高强钢绞线在深井大变形动压下，抗拉伸变形量通常只有 2%~3.5%，稍微受拉就发生“脆性断裂崩飞”。110 工法之所以能够成功，全靠两大国家专利核心装备：

• NPR 恒阻大变形专用锚索： 采用特种微观相变纳米合金钢丝，配备如图4所示的“恒阻滑动套管与阻力圆锥套总成”。当巷道顶板受动压下沉拉拽锚索达到预设恒阻值（如 $280\sim 320 ext{ kN}$）时，锚索内部机构开始产生平稳受控的物理滑移，既保持着 30 吨以上的强悍恒定拉力支护顶板，又允许顶板下沉释能，单根极限拉伸变形行程可达 $500\sim 1000 ext{ mm}$ 且不断裂，如同在岩石深部安装了一根强韧的“高压液压减震器”；
• 双向聚能切割爆破专用管： 选用高密度高刚性阻燃改性聚氯乙烯（PVC）管，管壁内侧对称加工有两个 60 度顶角的 V 形聚能凹槽。装药后，炸药爆轰产生的超高压聚能微射流只从两侧凹槽高速喷出，岩石只沿聚能方向定向微裂，而圆周其他方向爆压衰减 85% 以上，彻底保护了巷道本体顶板的完整性；
• 大倾角重型履带切顶钻机： 配置专用大跨度多角度全液压钻车，钻孔孔径为 $\Phi 48\sim 55 ext{ mm}$，钻孔深度达 8~14 米（必须完全打穿直接顶并深入基本顶坚硬岩层深处），倾角可在 0~30 度内精密数控微调，单孔成孔速度小于 12 分钟。

2.2 110 工法留巷施工“超前四步关键作业时序”

110 工法不是等采完煤再去补救，而是在综采工作面推过前进行标准化“超前流水线作业”：

1. 第一步：工作面超前 120~200 米恒阻锚索强力补强（加固顶板）。 在工作面尚未到达前，沿巷道顶板设计切缝线内侧 0.2~0.3 米处，以 1.0 米排距打设一排长 10.3 米或 12.3 米的 NPR 恒阻大变形锚索，用树脂锚固剂深锚入顶板稳定岩层中，预紧力直接打到 $250 ext{ kN}$ 以上，形成一堵“深部人工抗剪结构梁”；
2. 第二步：工作面超前 60~120 米施工定向聚能切顶爆破（预裂切断）。 紧跟锚索打设进度，打钻机以 500mm 间距向顶板打设切缝钻孔，严格校准双向聚能管的凹槽方向（必须与巷道轴线严格平行对正）。装入二级矿用乳化炸药并采用正向连续空气间隔装药结构，实行微差毫秒级爆破，在岩层内部预先炸出一道平整相通的裂缝网络；
3. 第三步：工作面滞后 0~60 米动压过渡段液压临时支撑（抗剪护巷）。 当采煤机切断煤壁、顶板开始沿切缝线垮落时，巷道进入动压最剧烈的过渡期。此时必须使用单元式高阻液压防倒支架或密集单体液压支柱配合 $\pi$ 型钢梁进行临时强化补强支护，护卫人员通行；
4. 第四步：工作面滞后 60~150 米采空区侧挂网喷浆封闭（密闭防漏风）。 在采空区矸石垮落密实后，撤出临时单体支架。利用可缩性 U 型钢挡矸桩、双层高强度菱形金属网与特种阻燃风筒布将矸石挡住，随后使用抗裂高分子喷浆材料进行厚度不小于 50mm 的密闭喷涂，彻底杜绝采空区有害气体外泄与漏风氧化自燃。

三、 一线矿压监测、顶板位移标定与爆破效果检测

3.1 现场留巷质量把关与多参量监测三原则

110 工法成败全在细节，现场通防与采矿质检员每班必须实测如下关键指标：

• NPR 锚索恒阻受力与滑移量巡检： 巡检员手持无线数字测力计，每隔 10 米读取一次 NPR 锚索外露端的测力环数据。正常工况下，受力应平稳保持在 $280 \sim 320 ext{ kN}$ 之间，套管滑移量在采动剧烈期每推进 10 米伸长约 $20 \sim 50 ext{ mm}$；若发现某处锚索受力骤降且无滑移，说明该孔发生了锚固剂脱粘，必须在 24 小时内就地补打一根新锚索；
• 切缝窥视与裂缝贯通率实测： 每次切缝爆破后，技术员必须使用防爆高清钻孔窥视仪深入钻孔内进行 360 度光学录像扫描。孔壁必须呈现清晰对称的双向连续破裂缝痕，全孔裂缝垂直贯通率严禁低于 $80\%$；若裂缝连续率不足，说明装药系数偏小或封孔泥漏气，下一排孔必须微增装药量；
• 采空区密闭漏风与气体日检： 瓦斯检查员携带便携激光甲烷仪与一氧化碳检测仪，沿留巷侧喷浆矸石帮每走 5 米测定一次缝隙漏气情况。密闭喷层外侧的一氧化碳浓度必须绝对为零，风流压差漏风量严禁超过 $0.15 ext{ m}^3/ ext{min}\cdot ext{m}$，严防采空区自燃引燃留巷残留碎煤。

四、 现场常见突发意外诊断、切缝卡滞处置与应急预案

4.1 110 工法施工常见异常工况排查表

4.2 留巷段遭遇“剧烈动压压架变形”应急处置五步法

[第一步：紧急撤离] 动压监测预警系统发出橙色声光报警，受影响段全部作业人员沿避灾路线有序撤至工作面进风全风压处
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[第二步：加固超前] 立即在动压波及段（工作面后方 30~80 米）紧急调拨重型单元式液压门式防倒支架进行全断面套棚加强支护
       ↓
[第三步：底板开槽] 如果底鼓量在短时间内激增超 300mm，使用风镐或轻型破碎机在采空区侧边缘开凿纵向卸压槽，释放底板应力
       ↓
[第四步：高水注浆] 向顶板切缝线外侧的破碎岩体注入超早强高水微膨胀速凝浆液，强行固结碎石提升围岩整体残余刚度
       ↓
[第五步：复测验收] 连续观测 72 小时，顶底板移近速度稳定小于 2 mm/天、顶板下沉停止后，方可逐步撤除临时应急加强支柱

五、 真实工程落地账本与经济/安全效益复盘

5.1 陕北神府大型千万吨高产矿井 110 工法实测对账

陕西榆林神府矿区某特大型现代化矿井 30201 工作面，煤层平均厚度 3.5 米，埋深 320 米，基本顶为厚达 18 米的坚硬细粒砂岩。原开采设计需留设 30 米宽的区段隔离煤柱，并在煤柱另一侧耗时 8 个月掘进下一工作面的 30202 顺槽。矿方全面引进 110 工法成套切顶留巷工艺后，实现了工作面单巷原位连续留巷 2200 米。

项目在完成整条 2200 米长留巷后的核心技术经济对比审计数据如下表所示：

5.2 资源利用与绿色矿山深远价值

通过实施 110 工法，该矿区彻底告别了“以大煤柱抗大动压”的粗放传统开采模式。全采区资源回收率从最初的 64.2% 直拉至 91.8%，不仅大幅延长了矿井的服务年限达 6 年以上，而且消除了地表因大煤柱开采产生的波浪形不均匀断裂下沉裂缝，有效保护了黄土高原脆弱的地表水土资源生态环境。

六、 总结与落地自查台账清单

6.1 110 工法切顶卸压无煤柱自成巷自查 Checklist

• 坚硬基本顶层位复核： 是否结合钻孔柱状图和实验室岩石力学参数，精确计算并确定了切顶孔深度必须穿透基本顶厚度的三分之二以上。
• NPR 锚索拉拔质检合格： 入井 NPR 锚索每批次是否通过抽样拉伸检验，恒阻套管在 $300 ext{ kN}$ 恒定载荷下拉伸行程是否达到 $600 ext{ mm}$ 以上。
• 双向聚能管对准度校核： 现场装药工是否使用专用凹槽导向标尺校核装药管朝向，切缝方向与巷道轴线偏差严禁超过 5 度。
• 切顶钻孔封孔密实度： 切顶爆破孔是否采用水压黄泥或高压专用膨胀封孔材料封实，封孔长度严禁小于 2.0 米。
• 挡矸支撑结构刚度： 留巷侧挡矸 U 型钢柱打设间距严禁大于 600mm，底角生根深度不小于 300mm，金属网搭接宽度不小于 100mm。
• 采空区密闭喷浆气密性： 留巷后方 150 米外的矸石帮喷浆层是否定期巡查，喷层出现裂缝必须在当日完成二次高分子喷涂封闭。

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常见问题解答 (FAQ)

Q1：110 工法如果应用在煤层很厚（比如采高超过 4 米的大采高工作面），采空区矸石还能顺利自充填接顶吗？

答： 采高越大，采空区垮落后所需的碎胀矸石方量就越大。对于采高在 3 米以内的中厚煤层，只需切断 2~3 倍采高深度的直接顶与基本顶，碎胀的矸石就能自然填满空区并接顶支撑；但对于 $4\sim 6 ext{ 米}$ 的大采高工作面，如果切顶高度不够，采空区就会留有几米高的悬空空隙，大梁无法稳固着底。因此，在大采高工作面应用 110 工法时，必须采取“大深度深孔切顶（钻孔深度通常需达 14~18 米）”或者配合“巷旁超高水材料快速局部高压充填墙”的复合工艺，人工构筑一道厚度 1.5~2.0 米的高强阻水阻气矸石加固墙，确保无论多大采高都能稳如磐石。

Q2：切缝聚能爆破一天要放几十个深孔，会不会把巷道原有的通风网络和瓦斯传感器炸坏？

答： 绝对不会。聚能爆破采用的是特制的“微差聚能弱爆破”技术，炸药能量的 90% 以上全部集中在垂直切缝面的微米级缝隙内做功，向巷道开敞空间扩散的冲击空气波非常微弱（实测震动烈度只有普通松动爆破的五分之一）。在爆破前，瓦斯检查工只需按照常规放炮安全规程，将爆破点迎风侧与回风侧 20 米内的瓦斯探头用专用防护罩临时遮挡，确认风流瓦斯浓度低于 0.8% 即可起爆。起爆后 5 分钟，爆破烟雾在全风压下迅速吹净，不会对通风设施造成任何撕裂冲击。

Q3：为什么传统的钢绞线锚索不能代替 NPR 恒阻大变形锚索？

答： 这是由两者的“力学基因差异”决定的。传统普通钢绞线是典型的“高刚性、低塑性材料”，其抗拉强度虽然高，但受拉伸变形的极限仅有 20~30 毫米，一旦顶板岩层在动压下沉超过这个微小数值，普通锚索就会像绷紧的琴弦一样瞬间拉断，形成致命的“连环断索冒顶”；而 NPR 锚索内部自带高精度的机械恒阻滑动装置，它能像汽车避震器一样，在始终保持 $300 ext{ kN}$ 极限高拉力不减的前提下，允许套管跟随顶板平稳滑移伸长 800 毫米乃至 1 米。它通过“可控变形”把原本破坏性的围岩动压能量完全消化吸收掉，真正做到了“让而不垮、锁而不死”。