頂板自行垮落沿空留巷無煤柱開采技術(shù)探討

[摘 要]頂板自行跨落沿空留巷無煤柱開采技術(shù)是利用采場周期來壓，利用錨索對巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)，通過切頂卸壓自動(dòng)形成一條回采巷道的一種新的開采技術(shù)。通過在山東新汶礦業(yè)集團(tuán)新陽能源有限公司3107下工作面成功運(yùn)用，從根本上防治了留設(shè)煤柱帶來的各種安全隱患，提高了資源回收率，緩解了采掘接替緊張局面，解決了巷道難維護(hù)技術(shù)難題，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[關(guān)鍵詞]自行垮落 沿空留巷 無煤柱開采 新技術(shù)

中圖分類號：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）24-0087-01

1、引言

我國煤礦90%采用長壁開采，通常采用留設(shè)煤柱的方式保護(hù)下區(qū)段沿空巷道的掘進(jìn)，這種常規(guī)留煤柱開采，由于巖層斷裂移動(dòng)引起力學(xué)疊加和擾動(dòng)，破壞頂板形成應(yīng)力集中，是造成冒頂、瓦斯突出、火災(zāi)等自然災(zāi)害加劇的根本因素。同時(shí)還造成煤炭資源浪費(fèi)、巷道工程量大，采掘接替緊張，生產(chǎn)效率低下等問題。 因此，采用并推廣沿空留巷無煤柱開采技術(shù)是煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的重要方向，在提高煤炭資源回收率的同時(shí)，也是解決煤礦重大災(zāi)害事故的有效手段。

山東新汶礦業(yè)集團(tuán)新陽能源有限公司根據(jù)沿空留巷礦壓分布規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)特征，結(jié)合頂板易垮落的特點(diǎn)，運(yùn)用理論分析、現(xiàn)場實(shí)測等科學(xué)理論方法對煤層頂板自行垮落成巷技術(shù)進(jìn)行研究，提出了頂板自行跨落沿空留巷無煤柱開采新技術(shù)并成功應(yīng)用。

2、頂板自行跨落沿空留巷開采技術(shù)原理

頂板自行跨落沿空留巷開采技術(shù)是以“切頂短臂梁”理論為基礎(chǔ)，利用采場周期來壓，采用錨索對巷道頂板加強(qiáng)支護(hù)，通過切頂卸壓自動(dòng)形成一條巷道，把采煤與掘進(jìn)統(tǒng)一起來，做到了回采一個(gè)工作面只需要掘進(jìn)一條巷道，將傳統(tǒng)的一面兩巷變成了一面單巷，實(shí)現(xiàn)了切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采。

根據(jù)沿空留巷礦壓分布規(guī)律和礦壓特征，得到支撐強(qiáng)度和切頂位置關(guān)系：支撐強(qiáng)度越大，切頂位置越靠近采空區(qū)位置。根據(jù)沿空留巷支撐強(qiáng)度與切頂線位置的關(guān)系，采用超前打設(shè)2根錨索加固支護(hù)。第一根錨索切頂支護(hù)頂板，為巷旁提供高初撐力支護(hù)，能夠有效的減少采空側(cè)塑性區(qū)域的擴(kuò)大，保證頂板斷裂線在支護(hù)外側(cè)，達(dá)到切頂留巷形成新巷幫的目的；第二根錨索加強(qiáng)巷道支護(hù)，使頂板形成整體，增加支護(hù)穩(wěn)定性（圖1）。

其工藝流程為：沿垮落線超前施工錨索加固支護(hù)→架前鋪網(wǎng)→架后壘砌矸石袋→留巷加強(qiáng)支護(hù)→沿空留巷整改。

3、工程應(yīng)用

（1）工程條件

山東新汶礦業(yè)集團(tuán)新陽能源有限公司三采區(qū)3107下工作面北至三采一層集中軌道巷，南鄰3107S上工作面，西靠巖漿巖侵入邊界。

該工作面開釆煤層為煤1，煤1直接頂以細(xì)砂巖為主，平均厚度3.5m，屬于Ⅲ類穩(wěn)定直接頂，老頂為中砂巖，巖石堅(jiān)硬性脆，厚12.1m，根據(jù)基本頂分級指標(biāo)可知，第1層煤基本頂屬于Ⅰ級；直接底為細(xì)砂巖，平均厚度2.4m，老底為中砂巖與細(xì)砂巖互層，厚16.1m。底板為中硬底板。

3107下運(yùn)煤巷巷道凈寬3.0m、凈高2.4m，頂板錨網(wǎng)帶支護(hù)，錨桿間距0.9m，鋼帶排距1.0m；留巷后巷道凈寬3.4m，凈高不低于1.8m。

（2）錨索超前加固

①錨索支護(hù)方式：由里向外順巷道走向施工1排錨索，間距2.0m，錨索配鋼帶或鋼筋梁或錨索梁加固支護(hù)（錨索位置距工作面?zhèn)鹊谝桓敯邋^桿外偏0.3m）。

②錨索施工要求：錨索選用6m高強(qiáng)度、低松馳（Ⅱ級）粘結(jié)式1×7鋼絞線錨索，選用MSCKb28/33樹脂錨固劑，每根錨索使用5塊樹脂錨固劑，錨固長度不得低于1.5m。錨索托盤選用鋼制蝶形托盤，采用不低于Q215的鋼材制作，規(guī)格尺寸不小于230mm×230mm（方形）、厚度不低于12mm，托盤承載力應(yīng)不小于錨索設(shè)計(jì)承載力的1.5倍。采用M-145-3.25型鋼帶。錨深5750mm，錨索錨固力不低于200KN。錨索張拉預(yù)緊力應(yīng)控制在80～100KN，壓力表達(dá)到25.5MPa。

（3）架前鋪網(wǎng)

兩名施工人員站在支架頂梁下鋪聯(lián)網(wǎng)，鋪聯(lián)網(wǎng)長度不低于2個(gè)支架，壓茬不得小于0.1m，扭結(jié)牢固，網(wǎng)平整，余網(wǎng)不得小于0.3m。

（4）架后壘砌護(hù)幫矸石袋

支架拉移過后，選擇合適位置，及時(shí)使用單體支柱臨時(shí)支護(hù)架后空間，臨時(shí)支柱1-2列，柱距1.0m，列距0.7m，順走向支設(shè)不超過3排；人員在巷道永久支護(hù)及架后臨時(shí)支護(hù)的掩護(hù)下壘砌矸石袋，矸石袋寬度0.5-1.0m，矸石袋壘砌在臺階上，一層一層壓好茬，最后接實(shí)頂板，矸石袋要壓茬嚴(yán)密不漏風(fēng)、接頂要密實(shí)，施工期間嚴(yán)禁空頂作業(yè)。

（5）留巷段加強(qiáng)支護(hù)

支護(hù)參數(shù)：架后采空區(qū)頂板易冒落，懸頂面積較小或無懸頂時(shí)，采取在采空側(cè)超前支護(hù)頂梁下加支一顆單體，變一梁一柱為一梁二柱的方式加強(qiáng)支護(hù)。采空區(qū)頂板不易冒落、存在懸頂時(shí)，靠老空側(cè)支設(shè)封幫單體，封幫單體配鉸接頂梁順巷道走向支設(shè)，一梁二柱加強(qiáng)支護(hù)，封幫單體距矸石袋墻0.2-0.3m。留巷頂板穩(wěn)定后滯后溜頭50m可撤除老空側(cè)原超前支柱，柱梁支護(hù)由三列改為兩列，頂板破碎及壓力顯現(xiàn)明顯處不準(zhǔn)回撤。

（6）留巷整改

主要是臥底清理、整改失效單體。

4、效益分析

（1）相比傳統(tǒng)的沿空掘巷

按全年回采期間沿空留巷1000m，巷道掘進(jìn)成本按1.5萬元/m計(jì)算，較沿空掘巷節(jié)約成本1500萬元。另外可回收10m寬煤柱，回收煤炭量約1.4萬噸（按薄煤層，煤厚1m計(jì)算），可增加煤炭收入623萬元，全年可增加2123萬元的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)避免了留設(shè)煤柱引起的應(yīng)力集中，防止沖擊地壓的發(fā)生，采空區(qū)漏風(fēng)等安全隱患，提高采掘比，緩解礦井生產(chǎn)接替緊張局面及巷道難維護(hù)等技術(shù)難題，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有明顯的社會效益。

（2）相比傳統(tǒng)的沿空留巷

傳統(tǒng)的切頂卸壓沿空成巷無煤柱開采技術(shù)采用爆破技術(shù)預(yù)裂頂板。頂板自行垮落沿空留巷技術(shù)，不再施工切頂爆破孔，節(jié)約打設(shè)、爆破切頂孔時(shí)間和費(fèi)用，減少了傳統(tǒng)沿空留巷中安全系數(shù)最低的一道工序，采用普通錨索代替橫阻錨索，巷道由三排錨索優(yōu)化為兩排錨索，單體支柱由三排也優(yōu)化到兩排，減少了留巷費(fèi)用。

采用頂板自行垮落沿空留巷技術(shù)，巷道維護(hù)每米材料費(fèi)用為936元，較傳統(tǒng)沿空留巷巷道維護(hù)每米材料費(fèi)用1067元，每米節(jié)省材料費(fèi)用131元，按全年維護(hù)巷道1000m折算，全年節(jié)省13.1萬元。現(xiàn)沿空留巷每班用工1人，較以往沿空留巷每班用工4人，全年節(jié)省人工費(fèi)約85萬元。傳統(tǒng)留巷方式需停止工作面輸送機(jī)和采煤機(jī)在溜頭（溜尾）打設(shè)鋼帶，每班對生產(chǎn)影響1h左右?，F(xiàn)只需在軌道巷（運(yùn)輸巷）超前補(bǔ)打切頂錨索即可，不用停止工作面輸送機(jī)和采煤機(jī)，生產(chǎn)工藝簡單，對工作面生產(chǎn)無影響，月度可多采出煤炭0.75萬噸，年增加原煤收入4008萬元。因此全年可增加約4100萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

5、結(jié)束語

山東新汶礦業(yè)集團(tuán)新陽能源有限公司運(yùn)用頂板自行垮落沿空留巷無煤柱開采技術(shù)，減少工作面煤巷掘進(jìn)量50%，利用礦壓和圍巖運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)成巷，緩解了礦井采掘接替緊張局面，提高了資源回收率，減少了礦井安全隱患，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。同時(shí)該技術(shù)是在傳統(tǒng)的切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術(shù)的基礎(chǔ)上衍生而來，實(shí)現(xiàn)了沿空留巷無煤柱開采理論和技術(shù)的新突破，在同類地質(zhì)條件下具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

作者簡介

黃小虎（1986.01-），男，湖北鐘祥人，現(xiàn)居山東濟(jì)南，2008年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院采礦工程專業(yè)，現(xiàn)任山東新汶礦業(yè)集團(tuán)新陽能源有限公司采煤一部技術(shù)副區(qū)長。