“110工法”在東林公司W(wǎng)1-105綜采面的應(yīng)用

文/ 李世剛 李 偉 董 磊

鐵煤集團東林公司煤種為無煙煤，現(xiàn)可采儲量不足700萬噸，為減少煤柱留設(shè)造成資源損失，提高礦井服務(wù)年限，緩解接續(xù)緊張的局面，東林公司自2016年試驗采用切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)，即 “110工法”，至2017年在東林公司W(wǎng)1-106工作面成功留巷1270m。2019年就享用了留巷工程，在W1-106工作面鄰側(cè)同層未采區(qū)段，僅施工1條回采巷道及切眼就構(gòu)成了 “2巷1面0煤柱” 的W1-105工作面；西一105工作面在2019年回采后為西一103留巷。

“110工法”在東林公司的成功應(yīng)用，從根本上解決了沿空留巷無煤柱開采的問題，避免了應(yīng)力集中釋放的重大隱患問題，也解決了綜采工作面上隅角瓦斯問題，給安全生產(chǎn)提供了科學(xué)合理有效的實現(xiàn)方案，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

一、“110 工法”簡介

相對傳統(tǒng)的煤炭回采面布置方式與開采程序的“121工法”而言，“110工法”是煤炭開采格局與程序全新變革的重要成果。前者在采區(qū)內(nèi)每設(shè)計1個回采面，就必須施工回采巷道2條，留設(shè)煤柱1條。在開采程序上多數(shù)實施“跳采”，每個采區(qū)不可避免出現(xiàn)“孤島”工作面，安全生產(chǎn)難度大。隨采深增加，合理、合法棄之井下不能回收的煤炭越來越多，致使礦井壽命迅速折減。而后者，應(yīng)用“切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)”，僅僅在采區(qū)的首采面需要施工回采巷道2條，而在采區(qū)每1個非首采面只需掘回采巷道1條，留設(shè)煤柱0條。推廣應(yīng)用“110工法”，是提高煤炭資源回收率，減少掘進工程量，提高采掘接續(xù)水平，延長礦井服務(wù)年限，切頂卸壓降低應(yīng)力集中釋放，保障礦井經(jīng)濟效益與安全同步協(xié)調(diào)發(fā)展的主途徑。

“110工法”的技術(shù)關(guān)鍵有四點：一是吊得住，超前施工恒阻錨索；二是切得開，頂板超前切縫欲裂；三是擋得住，沿空擋矸支護；四是留巷段動壓影響區(qū)補強的臨時支護。

“110工法”的力學(xué)意義：通過頂板定向預(yù)裂切縫，切斷了“砌體梁”或“傳力巖梁”的壓力傳遞,成功轉(zhuǎn)化為“切頂短臂梁”，亦即切斷部分頂板的礦山壓力傳遞，削減采動壓力向回采巷道頂部傳遞與集中，同時提升采空區(qū)域荷載承受比例，增添了煤礦動力災(zāi)害戰(zhàn)略防御的自然力量?；夭擅嫱七M過程中利用頂板巖層壓力，利用頂板部分巖體，實現(xiàn)自動成巷和無煤柱開采。故“110工法”實施后，巷道頂板易維護、動力災(zāi)害易根除、資源回收率提高、生產(chǎn)成本降低是必然的結(jié)果。

切頂卸壓的方法步驟，可歸納為三項。一是預(yù)裂切縫：在W1-105回采之前，沿矩形斷面運輸順槽上幫與頂板的交線，利用CMM2-8型液壓鉆車向上施工深9m、仰角75°、間距400mm的鉆孔，再把乳化炸藥填入聚能管導(dǎo)入鉆孔，沿回采方向逐段實施預(yù)裂爆破，縱穿鉆孔的切頂裂縫隨之產(chǎn)生。二是補強支護：切頂裂縫實施之前，利用恒阻大變形錨索對運輸順槽頂板進行補強支護；并用“單體+π型鋼梁”以及輔助背棚進行臨時維護。當(dāng)工作面推進180～200m，留巷巷道頂板壓力穩(wěn)定后即可由內(nèi)向外逐漸回收單體、π型鋼梁，并作循環(huán)投入使用。三是自動成巷：切頂工程和恒阻錨索實施30m之后啟動回采。運輸順槽上幫煤炭被采出后，隨著工作面支架向前推移，架后采空區(qū)頂板周期性垮落，便形成運輸順槽的新墻幫。為阻擋采空區(qū)頂板落石滾入巷道內(nèi)，采用“鋼筋網(wǎng)+29U型鋼柱”作擋矸支柱，在機頭1#架留巷側(cè)隨支架推進及時安設(shè)。采空區(qū)垮落后形成新的懸頂短臂梁，達到新的應(yīng)力平衡，即形成留巷巷道。

二、工作面概況

東林公司西一105工作面運順設(shè)計長度1400m。其南側(cè)與西一106運順相鄰；對應(yīng)地表為牧民草場，高程+1400～+1425m之間；工作面煤層底板高程+1183.7～+1229.5m之間。

W1-105運順整體上處于一向斜構(gòu)造內(nèi)，煤層傾角為3°～10°。

W1-105運順充水因素有：煤層頂板砂礫巖及粗砂巖、細砂巖孔隙裂隙含水層直接或間接充水、斷層裂隙水。預(yù)計掘進期間涌水量為3～6m3/h，最大涌水量為12m3/h左右。

煤層頂板8.25～15.31m，以砂礫巖為主，上部偶夾薄煤層，夾雜粗砂巖、細砂巖、含礫粗砂巖。底板2.59～54.79m，粗砂巖、含礫粗砂巖或泥巖，粗砂巖及含礫粗砂巖灰白至深灰色，泥巖灰黑色，均為泥質(zhì)膠結(jié)，層狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，較硬。

三、實施方案

1.查清工程地質(zhì)條件

為了掌握W1-105運順頂板巖性情況，每隔50m施工一個頂板巖性地質(zhì)探孔，孔深15m，依據(jù)W1-105運順巷道內(nèi)頂板巖性探測鉆孔資料，繪制運順頂板上覆巖層地質(zhì)剖面。巷道頂板向上0～15m大致分三種巖性，頂板以上0～8m的泥巖，頂板以上3～15m砂礫巖及細砂巖，頂板以上11～15m砂質(zhì)泥巖。

2.頂板預(yù)裂切縫方案

（1）切頂卸壓的目的是切斷壓力傳遞的巖梁，切頂深度最好大于采空區(qū)冒落帶的高度。切縫深度h縫的計算公式如下：

h縫=(h煤-Δh1-Δh2)/(S-1)

式中，Δh1——頂板平均下沉量，m；

Δh2——平均底臌量，m；

h煤——工作面平均采高，m；

S ——頂板巖石碎脹系數(shù)，1.3～1.5。

據(jù)頂板巖石性質(zhì)，本頂板巖石碎脹系數(shù)S采用1.35，頂板巖性素描，在采高變化不大，頂板及底板無變化的情況下，在最大采高3.0m時，h縫=8.48m，h縫為9.0m。

（2）現(xiàn)場實測頂板冒落高度。建立激光測距儀測冒落帶高度的幾何模型，測距儀距離巷道頂板h=1.27m，按水平傾角35°測量到采空區(qū)冒落帶最高點的距離為d=14.16m。

利用幾何關(guān)系，得到采空區(qū)冒落高度h=d·sin35°-1.27m = 6.85m

初始碎漲系數(shù)S0=（6.85+2.77）÷6.85 = 1.40

按S0=1.40計算，切縫高度h縫=(h煤-Δh1-Δh2)/( S0-1)=7.5m

通過計算得到的頂板冒落高度小于設(shè)計的切縫高度，因此切縫深度9m合理。

（3）欲裂切縫參數(shù)確定：首先根據(jù)方案設(shè)計進行3、5、7、10孔隔1孔爆破試驗，保證孔內(nèi)裂縫率和孔口表面貫通率，經(jīng)過井下連續(xù)實驗，利用窺孔儀觀察爆破孔、間隔孔內(nèi)切縫效果，最終確定裝藥參數(shù)，起爆方式變?yōu)榈诙N起爆為最佳。爆破采用三級煤礦乳化炸藥，擬采用炸藥規(guī)格為直徑Φ35×200mm/卷，封泥長度2.5m，爆破試驗方案詳見表1。

3.留巷頂板補強方式

根據(jù)頂板的巖性及原有巷道支護的布置情況，超前補強支護采用Φ21.8索補，長度11.3m，附加恒阻器施工。錨索縱向三列：第一列錨索距巷道中心1.7m，間距1.0m；第二列錨索距第一排錨索1.2m，間距為2.0m；第三列錨索距第二排錨索1.2m，間距為2.0m。邊錨索采用W鋼帶聯(lián)合支護，其他兩列交替支護。

每孔采用M2360樹脂錨固劑3支，錨索長度為11300mm，恒阻器長為450mm，恒阻值為30±2t，預(yù)緊力不小于25t。為了確保恒阻錨索施工質(zhì)量，每天組織對原班施工的恒阻錨索進行拉拔測試，拉拔力不少于40t，拉拔率不少于20%。恒阻器安裝前進行擴孔，擴孔長度為450mm，為了確保錨固劑安裝順利通過恒阻器擴孔段，采用長700mm、孔徑25～28mm的鋁塑管用錨索導(dǎo)入。

表1 爆破實驗方案及效果統(tǒng)計

4.工作面回采推進期間臨時支護與擋矸支護

西一105工作面開采后，隨著工作面的推進，采空區(qū)頂板開始周期性垮落，在機頭支架需進行擋矸支護，在留巷內(nèi)進行臨時支護。根據(jù)以往現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，將工作面附近劃分為三個區(qū)：西一105工作面前方30m為超前支護區(qū)；機頭1#架，架后0～200m為臨時支護區(qū)；機頭1#架后200m之后為成巷穩(wěn)定區(qū)。

（1）超前支護段：隨著工作面推進，超前壓力段不小于30m。支護方式為3.5m單體液壓支柱配合“π”型鋼梁，采用“一梁三柱”方式布置，排距800mm，因西一105綜采工作面底板較軟，采用單體“穿鞋”的方式。

（2）架后臨時支護區(qū)：為了更好地降低頂板變形下沉量，采用“3.5m單體液壓支柱+π梁”與“鋼筋網(wǎng)+29U型鋼柱”進行臨時支護和擋矸支護。

巷內(nèi)臨時支護采用“一梁三柱”單體棚，與W-106工作面運順臨時支護一樣，排距800mm。除此之外，沿W鋼帶走向外側(cè)新布置單體棚，單體棚頂部π梁緊貼W鋼帶布置，單體柱間距600mm。擋矸立柱緊貼π梁，兩個擋矸立柱之間用兩道拉桿連接，擋矸立柱間距500mm。臨時支護排距視頂板壓力顯現(xiàn)情況可以縮小至500mm，臨時支護所用單體都采取“穿鞋”方式，提高單體的支撐強度。施工過程中要加強對工作面壓力監(jiān)測，及時掌握周期來壓情況，來壓前要對臨時支護進行補強。擋矸支護為了防止周期來壓采空區(qū)老頂垮落矸石沖擊擋矸支護，可以在擋矸墻外側(cè)用單體斜戧方式補強。工作面正常回采時，在留巷口設(shè)警戒，嚴(yán)禁人員進入，白班檢修期間，人員方可進入留巷內(nèi)作業(yè)。

（3）臨時支護里段成巷區(qū)：采用頂?shù)装逑鲁亮吭诰€觀測儀，每天頂板下沉量符合設(shè)計值，可以由內(nèi)而外進行臨時支護回收，只保留擋矸支護，回撤完畢段每10m打點柱，點柱距擋矸支護1.0m，打在懸頂短臂梁遠端側(cè)。

5.通風(fēng)方案

根據(jù)W1-106切頂泄壓沿空留巷施工經(jīng)驗，生產(chǎn)煤種為無煙煤，不自燃，煤塵不具有爆炸性，通風(fēng)設(shè)計如下：

西一105切眼與W1-105運順掘透，西一105的下一個工作面西一103切眼與西一103運順掘透之后，由西一106運順（為西一105留巷）與105運順進行入風(fēng)。變成兩入一回的“Y”型通風(fēng)方式。

四、實施效果

W1-105綜采工作面運順掘進時，盡管地質(zhì)條件復(fù)雜、頂板復(fù)合層較厚，給施工帶來許多困難，但是為緩解接續(xù)緊張的局面，東林公司采用“110工法”，對此綜采面實施切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)，對其運順頂板實施切頂卸壓技術(shù)，經(jīng)綜采面推進，給相鄰綜采工作面W1-103留巷1400m。

W1-105運順切頂留巷共計1350m，回收煤柱5.8萬噸，增收1800余萬元；少掘一條巷道節(jié)省770萬元，減少掘進巷道維修費用90萬元；因該面臨時支護、擋矸支護材料均由西一106留巷回收，大大減少了西一105留巷材料費用，且自己隊伍施工，留巷施工費150萬元，材料費120萬元。因此，綜合創(chuàng)效2390萬元。

五、結(jié)語

“110”工法通過切頂卸壓，切斷了頂板壓力傳遞巖梁，大大降低了臨近采空區(qū)采掘工作面的壓力，巷道變形小，維修量大為降低，消除了頂板來壓強度大的重大隱患。尤其是具有沖擊地壓危險的區(qū)域，通過切頂卸壓，不會造成應(yīng)力大面積集中釋放，這也是預(yù)防沖擊地壓的一項重要措施。實現(xiàn)了綜采工作面兩入一回的“Y”型通風(fēng)方式，改變了傳統(tǒng)的“U”型通風(fēng)方式，消除了上隅角瓦斯，綜采工作面兩順都是入風(fēng)，留巷內(nèi)回風(fēng)。

總之，東林公司通過成功應(yīng)用“110”工法，實現(xiàn)了“精采精收”，保障了礦井安全生產(chǎn)，為同類條件生產(chǎn)礦井提供了可行的經(jīng)驗和模式。