一句话回答： 本文针对榆林金鸡滩煤矿在 8.2m 超大采高综采工作面回采中面临的采空区侧顶板悬顶跨距大、超前支护应力高度集中及留巷难的工程瓶颈，系统阐述了切顶卸压高度力学计算公式（H_c = \frac{M - \Delta_1 - \Delta_2}{K_p - 1}），设计了定向爆破预裂缝与高强恒阻锚索主动阻裂的沿空留巷方案，并提供了全工况应急预案与成巷质量自查指南。
适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产机电副矿长、掘进/防冲科长、防冲副总工程师、现场班组长
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司｜中国岩石力学与工程学会深部开采分会专家组成员
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一、 金鸡滩超大采高综采面切顶留巷的技术痛点
榆林金鸡滩煤矿是我国特大型智能化示范矿井，主采煤层平均厚度达 8.2m，属于典型的超大采高（Ultra-large Mining Height）超厚煤层。在如此巨大的开采厚度下，工作面后方采空区顶板的垮落会产生极其剧烈的“剪切失稳型”大悬顶，给矿井长壁开采及顺槽维护带来毁灭性挑战。
目前，在该工况下推广无煤柱自成巷/沿空留巷（Gob-side Entry Retaining）面临着严峻的行业性痛点：
- 悬顶高度高、垮落动载冲击极度猛烈：8.2m 采高开采后，上覆老顶（Main Roof）的断裂垮落高度和旋转下沉量极其庞大。若不实施切顶弱化，超大悬顶会在采空区侧形成极强的悬臂梁力矩，直接将工作面顺槽的巷帮整体压碎、大面积底鼓，并向顺槽支护传递剧烈的动载冲击，诱发局部冒顶。
- 超大采高碎胀体积无法填满采空区：常规大采高切顶高度计算未考虑超厚煤层开采后的时效碎胀差。若切顶高度 $H_c$ 计算偏小，采空区垮落矸石的碎胀后总体积将远小于煤层采空空间，导致垮落矸石无法及时“托顶”，使老顶在上部发生长跨度“台阶下沉”，彻底压垮顺槽充填带。
- 沿空巷道承受剧烈的拉张-剪切复合变形：留巷巷道一侧为硬围岩，另一侧为松散采空区矸石，处于极不对称的应力夹持场中。传统的单体支柱和普通锚索在岩层旋转剪切力作用下，会发生脆性断裂和瞬时屈服折断，导致留巷发生整体侧鼓塌方。
深孔定向预裂爆破与高强恒阻自移主动支护协同技术（Directional Deep-hole Pre-splitting Blasting and High-strength Constant-resistance Support Technology）是解决大采高沿空留巷失稳的关键物理方案。其基本原理是：基于采空区矸石碎胀极限平衡，精确计算切顶卸压高度 $H_c$，利用大直径定向预裂缝爆破主动切断采空区顶板与留巷顶板的物理力学联系，将“悬臂梁”人为转化为“简支梁”。在巷道内部，架设具有大变形吸收能力（$≥ 350\text{ mm}$）的恒阻锚索，配合自移式液压超前防护支架，形成主动阻裂变形护盾，确保 8.2m 超大采高沿空留巷的稳定成巷。
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二、 超大采高切顶卸压高度与恒阻受力力学计算
2.1 切顶卸压高度力学计算
为了使切顶垮落后的矸石碎胀体积完全填充采空区漏斗空间并对上覆关键岩层起到稳定的“承托作用”，切顶卸压高度（Cutting Height） $H_c$ 的力学计算公式为：
其中：
- $H_c$：设计切顶卸压的垂直高度（单位：m）；
- $M$：工作面设计采煤层厚度（对于金鸡滩典型工作面，$M = 8.2\text{ m}$）；
- $\Delta_1$：采后直接顶的弯曲沉降变形量（单位：m）；
- $\Delta_2$：地表下沉传递至直接顶顶部的残余沉陷量（单位：m，通常取 0.05m~0.15m）；
- $K_p$：采空区直接顶垮落矸石的残余碎胀系数（Bending residual swelling factor, 无量纲，在金鸡滩砂页岩互层中取 1.25~1.38 之间）。
2.2 恒阻锚索拉伸受力与沿空剪应力边界
在切顶侧向滑移与顶板弯曲应力场中，恒阻锚索（Constant-resistance Anchor Cable）的工作阻力 $F_a$ 必须能够克服老顶旋转下沉的垂直分力：
其中：
- $W_{block}$：切顶分离后老顶悬臂岩块的重力（N）；
- $d_{cg}$：老顶岩块重心至留巷支护边缘的水平距离（m）；
- $L_{anchor}$：恒阻锚索的排布间距（m）；
- $F_{support}$：巷道内液压支架和刚性支护提供的阻力合力（N）。
要求恒阻锚索的恒阻拉张阻力达到 $F_{constant} ≥ 350\text{ kN}$，且极限拉伸滑移量满足 $\Delta u ≥ 500\text{ mm}$ 而不发生钢绞线脆断，这是保障切顶面平滑断裂的力学临界限度。
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三、 金鸡滩煤矿超大采高切顶卸压方案设计参数表
根据金鸡滩煤矿 8.2m 采高综采工作面顶板特性，通过 FLAC3D 有限元仿真及现场锚杆拉拔阻力测试，对不同切顶高度和参数下的围岩变形进行了计算比选：
| 方案编号 | 切顶高度 $H_c$ (m) | 切顶倾角 $θ$ (度) | 爆破孔距 $S$ (m) | 装药比 $m_e/L$ (kg/m) | 恒阻锚索工作阻力 $F_a$ (kN) | 锚索极限滑移量 $\Delta_u$ (mm) | 留巷顶板最大下沉量 (mm) | 留巷侧鼓变形量 (mm) | 成巷综合风险判定 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| JC-01 | 12.0 | $90^\circ$ (垂直) | 1.5 | 0.8 | 200 (普通锚索) | 30 | 580 | 490 | 极高危失稳（老顶旋转剪断锚索） |
| JC-02 | 18.0 | $75^\circ$ | 1.2 | 1.2 | 280 | 120 | 180 | 120 | 稳定性基本受控，锚索局部有屈服 |
| JC-03 | 24.5 | $80^\circ$ (斜向采空) | 0.8 | 1.6 | 350 (恒阻) | 500 | 45 | 32 | 最佳参数，无死角切断，围岩变形极微 |
| JC-04 | 30.0 | $85^\circ$ | 0.5 | 2.0 | 450 | 800 | 25 | 18 | 极限参数（钻孔施工量巨大，装药成本极高） |
| JC-05 | — (不切顶) | — | — | — | 150 | — | 1100 (局部冒顶) | 880 | 严重塌方（悬臂力矩过大压垮支护） |
[!IMPORTANT]
计算分析证明，采用 JC-03 参数方案，在切顶高度达到 24.5m 且倾角设定为 80°（朝向采空区侧偏斜）的工况下，由于完全切断了侧向拉剪传力路径，顺槽顶板最大沉降仅为 45mm，侧鼓量控制在 32mm 的微小范围内，恒阻锚索滑移吸能效果完美，保障了 8.2m 大采高下自成巷的安全系数。
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四、 沿空留巷切顶预裂爆破与巷内主动支护系统设计
为保证超大采高顺槽巷道在采空区矸石垮落期间的平稳成巷，我们设计了由深孔定向爆破、高强恒阻锚索群及自移支撑防护支架组成的闭环工程，具体流程图如下：
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flowchart TD
A[测定煤层厚度与顶板碎胀系数] --> B[建立直接顶破碎托顶计算模型]
B -->|计算切顶高度 Hc=24.5m| C[顺槽内大功率高压定向掘进钻机定位]
C -->|施工 80度斜向爆破预裂孔| D[装药与装配双雷管爆破回路]
D -->|连续高粘炮泥封孔 4.5m| E[毫秒微差切顶预裂爆破]
F[重型恒阻锚索拉伸支护] -->|恒阻拉张阻力 350kN| G[沿空留巷顶板主动锁紧]
E -->|采空区直接顶顺利垮落| H[矸石碎胀填满采空区]
H -->|对老顶形成托顶支撑| I[均压推进]
J[锚拉传感器与位移传感] -->|位移与载荷数据| K[中控 SCADA 沿空留巷监控大屏]
K -->|数据反馈指导支架阻力微调| F
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4.1 深孔定向切顶爆破孔群布置
在综采面回风顺槽超前工作面 $100\text{ m}$ 范围内，每隔 $0.8\text{ m}$ 沿采空区侧向拱顶施工一排大直径预裂孔，孔径 $D=75\text{mm}$：
- 空间偏斜角控制：爆破孔方向斜向采空区侧倾斜，仰角为 $80^\circ$。
- 定向切切缝管：在爆破孔内使用专用的“不锈钢双向定向能量聚集槽管（Cumulative Tubes）”，将爆炸能量集中在剪切切割面上，防止爆炸震动波损伤留巷一侧的完好顶板。
4.2 恒阻大变形锚索主动阻裂设计
在靠近切顶线巷道内侧 0.5m 处，布置一排重型恒阻大变形锚索，规格为 $φ 21.8\text{mm}$，长度 $10.5\text{m}$，排距控制在 $1.0\text{ m}$。每根锚索在孔口配有高弹性套管及阻阻变行程滑移卡，当顶板发生剪切滑动时，恒阻套可在不锈钢绞线未断开前发生滑移以吸纳位移变形，恒定抗拔锚固力保持在 $350\text{ kN}$ 以上。
4.3 临时钢结构护栏与自移式防护支架
采空区侧切顶后，随着工作面推进，顶板发生垮落，为防止垮落矸石滚入留巷，沿切顶线布设由“高强度柔性高强矿用工字钢+防爆高张拉编织钢丝网”构成的隔矸防冲护栏。同时，顺槽内布设 5 组大吨位自移式液压反冲超前防护支架（额定阻力 $≥ 12000\text{ kN}$），伴随工作面自移推进，确保成巷段的安全空间。
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五、 切顶卸压系统全工况应急预案（拒爆瞎炮、顶板不冒落悬顶、恒阻载荷超限报警）
针对爆破瞎炮残留、大跨度悬顶不垮发生冲击以及恒阻锚索载荷突增等工况，特制定本应急处置流程。
5.1 施工过程中发现“盲炮、拒爆与瞎炮”应急处置
- 触发条件：爆破警报解除后，巡检发现个别定向切顶孔雷管未起爆，出现“瞎炮”残留。
- 应急处置流程：
- 拉起红牌禁止靠近：严格按照爆破安全规程，警戒区严禁任何人员和机械进入，静置时间不少于 30 分钟。
- 严禁用钻头钻掏药卷：严禁采用拉扯雷管脚线或用钻具钻掏炮泥药卷的危险动作。
- 二次诱爆或水冲炮药：由持证专业放炮工，使用高压清水冲洗掉孔口封泥，取出雷管后注入备用引爆药卷进行二次爆破引爆；或者使用高压软水连续冲刷炸药卷，使其乳化水解失效。
5.2 采空区侧顶板“大跨度悬顶不冒落”应急处置
- 触发条件：工作面推过后方 $≥ 30\text{m}$，采空区侧切顶预裂缝未裂开，直接顶呈现大面积“悬空挂顶”状态。
- 应急处置流程：
- 增设超前单体密柱：在留巷侧巷帮下，紧急增设重型单体液压支柱和“刚性液压千斤顶阻顶墙”，阻抗侧向弯矩拉拉应力。
- 二次补充高压水力劈裂：从巷内施工高角度斜孔，直穿悬顶老顶深部，注入 $45\text{ MPa}$ 的高压水，利用水力劈裂（Hydraulic Fracturing）效应切断顶板悬壁。
- 震动放炮弱化：若水力劈裂不奏效，应从留巷外侧安全硐室施工仰角深孔，高药量爆破强行切落悬顶，消除冲击震动风险。
5.3 留巷顶板恒阻锚索压力变送器“载荷飙升超限报警”应急处置
- 触发条件：沿空留巷段监测仪器警报，恒阻锚索载荷突增至 $320\text{ kN}$ 以上（逼近 350kN 恒阻限值），且变形速度突变。
- 应急处置流程：
- 避灾防线确立：撤出警报区间内不必要的技术操作人员，工作面停止大功率机车穿行。
- 紧急套设大行程“工字钢棚”：在该过载段架设钢结构“工字钢对棚”或“刚性钢木支架”，协助恒阻锚索分担顶板下压力矩。
- 追加“对穿锚索与注浆”：在两根过载锚索中间，追加施工双向对穿高强锚索锚固深部稳固岩层，并向围岩缝隙注入超细水泥固化剂浆液，固化破碎直接顶，防止发生剪切冒顶。
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六、 煤矿总工程师与防冲主管沿空留巷安全自查指南（15项）
为确保金鸡滩煤矿 8.2m 大采高工作面切顶卸压成巷精准、爆破安全受控且恒阻锚索主动护盾抗压不变形，总工程师及防冲主管必须对照以下自查清单，每月组织一次专项安全检查。
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[ ] 1. 检查切顶卸压设计计算书，其切顶高度 Hc 是否根据公式对账并由总工签字核准。
[ ] 2. 现场抽测大直径预裂孔的仰角与孔长，仰角靶心偏差必须控制在 ±1.0° 范围内。
[ ] 3. 检查 cumulative 聚能管的安装卡槽朝向，确保聚能方向完全与设计的切顶切线平面重合。
[ ] 4. 抽查毫秒电雷管差时控制台账，确保毫秒段差设计 ≥ 25ms 以消除二次波震动叠加。
[ ] 5. 核实高强恒阻大变形锚索的恒阻套卡销物理负荷拔出测试台账，恒阻值必须稳定在 350kN 以上。
[ ] 6. 自查现场封孔炮泥长度与粘结力指标，确认每孔封口深度均在 4.5m 以上且无“漏火、冲孔”。
[ ] 7. 现场抽问防冲班组长在遭遇“哑炮、拒爆”时的安全规程和排险操作流程，实操合格。
[ ] 8. 检查沿空留巷采空区一侧隔矸阻砂钢丝网绑扎抗拉拉力，确认无磨损断股或崩决隐患。
[ ] 9. 核实自移式液压超前支架乳化液管道液压测试负荷，泵站压力需恒定在 31.5 MPa 以上。
[ ] 10. 检查防冲 SCADA 遥测系统地音探头和高频压力传感器的数据刷新时滞，延迟 ≤ 50ms。
[ ] 11. 自查爆破用微差起爆器能量放电测试记录，起爆电容输出无异常老化。
[ ] 12. 检查留巷大断面反向防冲防护棚的倒挂紧固卡紧固力，防护棚每月进行一次负压强度复核。
[ ] 13. 调阅上一季度工作面地压动态显现周报，对阻力变送器超限频段的追加补强记录齐全。
[ ] 14. 检查矿井通风系统留巷段的风速和风量，确保风向稳定且无采空区有害气体逆向倒灌。
[ ] 15. 审查金鸡滩煤矿大采高自成巷长期技术经济核算账本，煤柱损失率控制在省局限定的 3% 以下。
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七、 总结与决策行动指南
陕西榆林金鸡滩煤矿 8.2m 超大采高综采工作面切顶卸压沿空留巷是一项典型的跨越岩石破断与主动支护的深部防灾前沿工程。煤矿总工程师及掘进防冲副矿长在技术决策中应严格贯彻以下行动指南：
- 坚守“切顶高度必须跨越碎胀承托区”的力学红线：绝不能流于经验随意缩短孔深。必须严格按照公式和 JC-03 参数打深打透，确保垮落矸石接顶托底，从根源上化解大悬顶的推剪力。
- 强推“聚能定向断裂爆破与恒阻大变形锚索”的协同控制：通过定向聚能爆破确保“切线断裂平滑”，配合 350kN 恒阻 释放变形，给巷道围岩留出“抗震让压空间”，规避钢绞线拉断灾害。
- 落实“自移支架防护与地裂防沙网”的安全保底底线：在采空区侧建立重型钢工棚与阻沙屏障，阻断飞石，防备落石伤人。通过 SCADA 联锁监测系统，打造数字化保驾护航，实现安全高效开采。