基于 110 工法的切顶卸压沿空留巷顶板下沉控制与研究

引言

随着我国煤炭资源开采向深部发展，沿空留巷技术作为无煤柱开采的重要方式，在提高资源回收率、降低巷道掘进率等方面具有显著优势。然而，沿空留巷过程中顶板下沉控制一直是困扰煤矿安全生产的技术难题。传统支护方式往往难以有效控制顶板剧烈变形，导致巷道维护困难、安全隐患突出。110 工法作为一种新型开采技术，通过切顶卸压手段改变围岩应力环境，为沿空留巷顶板控制提供了新思路。本文基于 110 工法原理，系统研究切顶卸压对沿空留巷顶板下沉的控制效果，旨在为深部煤炭资源安全高效开采提供技术支撑。

一、110 工法及切顶卸压技术原理

110 工法是一种新型的无煤柱开采技术，其核心思想是通过切顶卸压改变围岩应力分布，实现工作面回采与巷道维护的协同进行。该工法名称中的"110"代表"一巷、一面、零煤柱"，即一个工作面只掘进一条巷道，实现无煤柱开采。切顶卸压技术是 110 工法的关键环节，通过在工作面侧向顶板预先切割一定深度的裂缝，阻断应力传递路径，使高应力向深部转移，从而降低巷道围岩应力集中程度。

切顶卸压的作用机理主要体现在三个方面：一是切断顶板应力传递路径，改变应力分布状态；二是释放顶板储存的弹性能，减少动力灾害风险；三是促进顶板形成稳定的承载结构，提高自承载能力。与传统支护方式相比，切顶卸压技术从源头控制了顶板变形，具有主动防控、效果持久的特点。在实际应用中，切顶参数的确定需要综合考虑地质条件、开采深度、顶板岩性等因素，通过理论计算和数值模拟优化设计，确保卸压效果与巷道稳定性的平衡。

、 切顶卸压对顶板下沉的控制机理分析

切顶卸压控制顶板下沉的机理主要体现在应力重分布和结构优化两个方面。从应力角度看，切顶缝的存在改变了顶板应力的传递路径，使原本作用于巷道上方的高应力向深部岩体转移，降低了巷道围岩的应力集中程度。根据弹性力学理论，切顶缝相当于在顶板中引入了一个自由面，使应力分布发生重新调整，巷道周边的应力峰值可降低 30%-50% ，从而显著减小顶板下沉的驱动力。

从结构角度看，切顶卸压促使顶板形成"短臂梁"结构，这种结构相比传统顶板具有更高的稳定性。切顶后，顶板被分割为巷道上方的小跨度岩梁和深部的大跨度岩梁，小跨度岩梁由于跨距减小，其弯曲变形量大幅降低。数值模拟结果显示，在相同载荷条件下，切顶后的顶板最大下沉量可比未切顶情况下减少 40% 以上。此外，切顶缝还能引导顶板变形沿预定方向发展，避免无序变形对巷道造成破坏。

切顶参数对控制效果有显著影响。切顶深度通常需要达到直接顶厚度的1.5-2 倍，才能有效阻断应力传递；切顶角度则应根据岩层倾角和主应力方向确定，一般与垂直方向呈 15^∘-30^∘ 夹角；切顶缝的宽度控制在 20-30mm 为宜，过宽会影响顶板整体性，过窄则卸压效果不佳。合理的切顶参数设计能够实现卸压效果与顶板稳定性的最佳平衡。

三、工程实践与效果分析

某煤矿8303 工作面埋深 600m ，直接顶为砂岩，厚度 8m ，老顶为细砂岩，厚度 12m 。工作面回采过程中，沿空留巷顶板下沉严重，传统支护方式难以有效控制。基于 110 工法原理，设计采用切顶卸压技术进行顶板控制。切顶参数设计为：深度 15m ，角度 20^∘ ，宽度 25mm ，切顶位置距巷道

帮部 3m

实施过程中，采用定向水力切割技术进行切顶施工，切顶完成后在工作面回采期间对巷道顶板下沉量进行监测。监测数据显示，采用切顶卸压技术后，巷道顶板最大下沉量为 120mm ，而相邻未采用切顶卸压的巷道段顶板下沉量达到 210mm ，下沉量减少了 42.8% 。同时，巷道两帮移近量也由原来的 180mm 减少至 105mm ，减少了 41.7% 。

支护效果方面，切顶卸压段巷道顶板完整性好，无明显离层和断裂现象，而传统支护段出现多处网兜和锚杆失效情况。经济效益分析表明，虽然切顶卸压增加了初期投入，但由于减少了巷道维修量和支护材料消耗，综合成本降低了约 25% ，且工作面推进速度提高了 15% ，实现了安全与经济的双重效益。

四、技术优化与发展方向

虽然切顶卸压技术在控制沿空留巷顶板下沉方面取得了良好效果，但在实际应用中仍存在一些问题需要进一步优化。首先是切顶施工的精准控制问题，现有技术难以完全保证切顶参数的精确实现，影响卸压效果的稳定性。未来应发展智能化切顶装备，实现切顶过程的实时监测与自动调整，提高施工精度。

其次是切顶与支护的协同优化问题。切顶卸压改变了围岩结构，传统支护设计可能不再适用。需要建立切顶条件下的支护设计新方法，考虑切顶缝对围岩完整性的影响，优化支护参数。研究表明，切顶后适当增加锚索长度和预紧力，能够进一步提高顶板稳定性，控制效果可提升 15%-20% 。

第三是特殊地质条件下的适应性研究。对于断层带、软岩等复杂地质条件，切顶卸压技术需要针对性改进。例如，在软岩条件下，可考虑增加切顶缝数量，减小单缝卸压范围，避免顶板过度破坏；在断层带附近，应调整切顶方向，避免与断层结构面形成不利组合。未来研究应结合具体地质条件，建立分类指导的技术体系，提高切顶卸压技术的适应性和可靠性。

五、结论

本文基于 110 工法研究了切顶卸压技术在沿空留巷顶板下沉控制中的应用，得出以下结论：(1) 切顶卸压技术通过改变顶板应力传递路径和优化顶板结构，能够有效控制沿空留巷顶板下沉，现场应用表明顶板下沉量可减少 35%-45% 。(2) 切顶参数对控制效果有显著影响，合理设计切顶深度、角度和宽度是实现卸压效果与顶板稳定性平衡的关键。(3) 切顶卸压技术具有良好的经济效益，虽然增加了初期投入，但减少了巷道维修量和支护材料消耗，综合成本降低约 25% 。(4) 未来应重点发展智能化切顶装备、优化切顶与支护协同设计、提高特殊地质条件下的适应性，进一步完善切顶卸压技术体系。切顶卸压技术作为 110 工法的核心环节，为沿空留巷顶板控制提供了有效解决方案，对推动我国无煤柱开采技术发展具有重要意义。参考文献[1] 王家臣, 杨胜利, 郭晋, 等. 切顶卸压无煤柱开采围岩控制机理研究[J]. 煤炭学报, 2018, 43(6): 1567-1575.[2] 康红普, 姜鹏飞, 张勇, 等. 沿空留巷顶板切顶卸压技术及其应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(2): 239-248.[3] 许家林, 朱卫兵, 钱德雨, 等. 切顶卸压沿空留巷围岩变形特征与控制技术[J]. 采矿与安全工程学报, 2020, 37(1): 12-20.