神東礦區(qū)無煤柱開采關(guān)鍵技術(shù)及應用研究

高登云，李瑞群

(國家能源集團 神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315)

無煤柱開采技術(shù)在英國、加拿大、南非和我國的開展和應用都比較早，積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗，也取得了較好的開采效果。采用無煤柱開采技術(shù)資源回收率高、巷道掘進率低，并且有利于保證礦井的采掘接續(xù)和安全回采。但同時也存在諸多技術(shù)難題需要不斷創(chuàng)新解決，比如采用傳統(tǒng)的沿空留巷施工效率較低，充填材料及設備成本較高，這些都制約了無煤柱開采技術(shù)的發(fā)展。無煤柱開采技術(shù)在神東礦區(qū)的推廣應用相對較晚，神東礦區(qū)以往布置綜采工作面時通常要留設寬度為12～20m的區(qū)段煤柱，采用這種布置方式盡管有利于礦井的高產(chǎn)高效，但也在一定程度上造成了資源的浪費，神東礦區(qū)每年因煤柱損失的煤量高達850萬t，并且綜采工作面雙巷布置還存在以下問題：增加了掘進工程量和掘進隊伍數(shù)量，不利于礦井的采掘接續(xù)；工作面回采完畢后區(qū)段煤柱進入采空區(qū)帶來了自然發(fā)火的安全隱患；近距離煤層群開采條件下，上分層留設的集中煤柱對下分層開采形成了集中壓力的影響，不利于頂板控制[1]。針對由于留設區(qū)段煤柱導致的問題，神東煤炭集團近幾年大力推動無煤柱開采技術(shù)的探索創(chuàng)新和推廣應用，積極研究探索沿空留巷、沿空掘巷和充填開采技術(shù)并取得了突破，創(chuàng)新采用了柔模混凝土施工工藝和切頂卸壓施工工藝等沿空留巷工藝，研發(fā)了沿空留巷液壓支架、內(nèi)嵌式錨索、恒阻錨索等關(guān)鍵創(chuàng)新設備，對沿空留巷、沿空掘巷和充填開采等多種無煤柱開采技術(shù)方法進行了改進[2-4]，保證了留巷效果，提高了留巷效率，取得了很好的效果。

1 無煤柱開采技術(shù)

無煤柱開采技術(shù)就是取消回采工作面區(qū)段煤柱的留設，采用其他方式來維護巷道，實現(xiàn)工作面安全高效回采的開采技術(shù)。目前神東礦區(qū)推廣應用的無煤柱開采技術(shù)主要包含沿空留巷技術(shù)、沿空掘巷技術(shù)和充填開采技術(shù)。

1)沿空留巷就是沿回采工作面采空區(qū)邊緣，采取技術(shù)措施維護上一回采工作面原來的巷道，并將該條巷道繼續(xù)作為下一個工作面的區(qū)段平巷使用。按照留巷工藝的不同可分為柔?；炷裂乜樟粝锕に嚭颓许斝秹鹤詣映上锕に嚒Ｈ崮；炷裂乜樟粝锇凑論蹴饭に嚨牟煌挚煞譃槿斯つ军c柱沿空留巷工藝和擋矸液壓支架機械化沿空留巷工藝[5]。

2)沿空掘巷是沿工作面采空區(qū)邊緣新掘一條巷道，新掘進的巷道作為下一個工作面的區(qū)段平巷使用，神東礦區(qū)主要實施了柔?；炷裂乜站蛳锛夹g(shù)。

3)充填開采是指利用充填料充填采空區(qū)實現(xiàn)無煤柱開采的技術(shù)，神東礦區(qū)主要實施了條帶式充填開采技術(shù)。

2 柔模混凝土沿空留巷

柔?；炷裂乜樟粝锕に囀窃诓煽諈^(qū)邊緣利用木點柱或擋矸支架配合金屬網(wǎng)實現(xiàn)擋矸，在采空區(qū)邊緣構(gòu)筑起柔模，再用輸送泵將混凝土注入柔模，澆筑形成混凝土墻作為留巷巷幫的施工工藝[6]。下面以上灣煤礦12上308工作面為例對柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)進行介紹。

2.1 工作面巷道布置及通風系統(tǒng)

12上308工作面為“刀把”型工作面，采高3.8m，其中，12上308-1面長度166.2m，推進長度656m；12上308-2面長度280.5m，推進長度944m，實施留巷的運輸巷寬度5.4m，高度3.6m。

柔?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)，首先在該工作面回采前，要提前掘進完成下一個工作面回采巷道，使兩個工作面形成“Y”型通風，留巷所需的施工材料通過備用工作面巷道進行運送，12上308沿空留巷工作面巷道布置及通風系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 12上308沿空留巷工作面巷道布置及通風系統(tǒng)

2.2 擋矸工藝

在施工柔?；炷翂η笆紫纫鉀Q隔擋上一回采工作面采空區(qū)矸石的技術(shù)難題，神東礦區(qū)先后采用了木點柱擋矸和機械化擋矸兩種工藝實施混凝土沿空留巷[7]。

1)木點柱擋矸工藝。木點柱擋矸工藝就是采用木點柱在采空區(qū)側(cè)進行擋矸，木點柱的排距為0.8m，回采時在端頭架前鋪設金屬網(wǎng)，拉架后自動與木支柱接觸成擋矸網(wǎng)。木點柱擋矸工藝具有取材容易、一次性投入少的優(yōu)點，但是支護強度低，施工安全風險大，留巷速度慢，無法滿足安全高效和厚煤層留巷生產(chǎn)的需要[8-10]。

2)機械化擋矸。為了解決木點柱擋矸存在的不足，神東煤炭集團與科研院所合作開展了“淺埋深、薄基巖、安全高效沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)研究”和“沿空留巷成套設備研發(fā)”，成功研制了“鋪網(wǎng)端頭支架+擋矸支架”的機械化擋矸設備，實現(xiàn)了采空區(qū)擋矸支護、自主移架、隔離作業(yè)空間和自動架設模板的機械化作業(yè)，機械化擋矸支架布置如圖2所示，ZRL79200/25/40D型擋矸支架技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZRL79200/25/40D型擋矸支架技術(shù)參數(shù)

圖2 機械化擋矸支架布置

2.3 架模工藝

柔?；炷裂乜樟粝锏拿總€柔模的長度為3m，寬度1.2m，掛模時用單體頂端卡爪或者擋矸支架的柔模架設機構(gòu)將柔模翼緣固定在頂板指定位置，采用單體掛模時排距為0.8m。每個柔模安裝8根螺紋鋼錨栓以增加混凝土墻的抗壓強度，錨栓排距1m，間距0.8m，單個柔模的結(jié)構(gòu)如圖3所示，施工的混凝土墻尺寸誤差小于3%，抗拉強度不小于50kN/m，布縫接強度不小于25kN/m。

圖3 柔?；炷翂蝹€柔模結(jié)構(gòu)(mm)

2.4 快速泵柱施工混凝土墻

柔模支設完成后采用快速泵柱施工混凝土墻，澆筑距離滯后工作面液壓支架150m，主要工序為泵送混凝土制備、罐車運輸、泵送和澆筑，快速泵柱施工位置如圖2所示，混凝土泵技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 混凝土泵技術(shù)參數(shù)

2.5 尾巷支護形式

在沿空留巷過程中，為防止回采過程中礦壓對預留巷道和柔?；炷猎斐善茐?，留巷巷道采用“一梁三柱”的架棚支護方式，支護單體排距1m，尾巷支護段的長度為150m。

2.6 內(nèi)嵌式錨索裝置

由于沿空留巷區(qū)域的頂錨索會被端頭液壓支架擠壓破壞，從而導致錨索失效，頂板支護無法保證，為了解決這一難題，神東煤炭集團通過技術(shù)攻關(guān)研制了內(nèi)嵌式錨索，錨索鎖具嵌入在頂板內(nèi)，成功解決了端頭液壓支架破壞頂錨索的技術(shù)難題。

3 切頂沿空留巷技術(shù)

切頂沿空留巷技術(shù)首先采用恒阻錨索對巷道頂板進行加強支護，回采前對巷道正幫側(cè)的頂板進行定向預裂，待工作面推過后，在礦壓作用下頂板沿預裂切縫自動切落形成巷幫完成留巷。下面以神東煤炭集團哈拉溝煤礦12201綜采工作面為例，對切頂沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)進行介紹。

3.1 巷道布置

12201綜采工作面長度320m，推進長度747m，煤厚1.6～2.4m，平均煤厚1.9m，埋深60～100m，可采煤量61萬t。根據(jù)與相鄰工作面布置的位置關(guān)系，需要留巷段的長度為580m，原巷道寬5.4m，高2.4m，留巷巷道寬5.0m，高2.1m，如圖4所示。在實施沿空留巷前同樣把留巷側(cè)的12202工作面掘進完成，為沿空留巷作業(yè)的通風和運輸服務。

圖4 12201綜采工作面沿空留巷位置

3.2 施工恒阻錨索補強支護

恒阻錨索采用NPR材料技術(shù)，該材料的泊松比為10-2量級，拉伸后斷面基本不變，既具有恒阻條件下抵抗變形的功能，又具有抵抗沖擊變形能量的功能，在留巷巷道中很好地發(fā)揮了支護效果。切頂沿空留巷的巷道補強支護是在原支護基礎上，距正幫500mm采取“恒阻錨索+W鋼帶”補強支護，恒阻錨索規(guī)格為?22mm×8000mm，排距2m，恒阻力達到196kN，錨索延伸量達到0.3～1m，恒阻錨索補強支護方式如圖5所示。

圖5 恒阻錨索補強支護方式(mm)

3.3 頂板預裂切縫

對頂板采取預裂切縫是切頂沿空留巷的關(guān)鍵，使頂板按照設定方向和深度拉張斷裂形成人工預裂面，工作面推采后，在礦壓作用下，使頂板按預裂面切落，既能主動切頂又不破壞頂板[11-14]。通過研究選用“3-2-0-1”裝藥結(jié)構(gòu)，超前工作面40～50m提前施工好雙向聚能拉伸爆破孔，切縫孔距幫200mm，眼距600mm，孔深6m，切縫孔角度垂直頂板向正幫方向偏15°～25°，超前工作面8～10m時實施預裂爆破。

3.4 擋矸工藝

回采期間，架前鋪網(wǎng)，緊跟端頭支架，在采空區(qū)側(cè)采用“單體液壓支柱+11#工字鋼+鋼筋網(wǎng)片”進行擋矸，單體液壓支柱間距600mm，工字鋼間距600mm，均勻間隔布置，鋼筋網(wǎng)與工字鋼用鐵絲綁扎在一起，鋼筋網(wǎng)片壓茬100mm，同樣用鐵絲捆扎[15-17]。

3.5 留巷段巷道加強支護

對留巷段100m范圍進行加強支護，其中端頭支架后0～15m范圍內(nèi)，沿巷道軸向的單體液壓支柱間使用長2.4m的花邊梁架設在單體液壓支柱頂部；端頭支架后15～100m范圍，沿巷道斷面布置單體液壓支柱，并使用長 4.2m的花邊梁架設在單體液壓支柱頂部，以“一梁四柱”的方式布置，間排距為1.2m×1m，至工作面推過100m后可拆除單體和花邊梁重復使用。工作面留巷段支護方式如圖6所示。

圖6 工作面留巷段支護方式(mm)

3.6 噴漿封閉采空區(qū)

待留巷段頂板穩(wěn)定后，滯后工作面130m，對留巷段進行修整、噴混凝土，確保與采空區(qū)完全隔離封閉，噴混凝土厚度100mm，強度為C20。

4 沿空掘巷技術(shù)

在研究和推廣沿空留巷技術(shù)的同時，神東煤炭集團也在積極探索沿空掘巷技術(shù)，該工藝首先在榆家梁煤礦52401工作面應用，工作面回采過程中在工作面巷道負幫施工柔?；炷翐鯄?，待工作面回采完畢頂板垮落穩(wěn)定后，再沿混凝土擋墻掘進一條工作面巷道，其主要施工工序如圖7所示。

圖7 沿空掘巷施工工序

4.1 柔模混凝土墻施工工藝

52401運輸巷原始寬度5.5m，高度3.4m，巷旁柔?；炷翂穸?m，高度3.4m，混凝土強度為C30。為提高混凝土強度，在柔性模板上預留錨栓孔，錨栓為螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×750mm。

柔模混凝土墻的施工工序為：干料運輸→掛柔模、上錨栓→泵注混凝土→強度監(jiān)測，然后執(zhí)行下一循環(huán)，詳細的施工工藝和前述柔?；炷裂乜樟粝锵嗨?。

4.2 巷道掘進工藝

當52401綜采工作面回采結(jié)束3個月后，待上覆頂板穩(wěn)定后開始沿空掘進52402軌道巷，巷道寬度4.5m，高3.4m，掘進工藝與常規(guī)的掘進工藝基本相同，主要區(qū)別是做好掘進期間柔模擋墻的保護工作，主要包括以下方面：

1)巷道掘進過程中在沿空測留設200mm厚度的保護煤皮，以保護掘進機滾筒割不到混凝土墻。

2)利用滾筒對留設的200mm厚度的煤皮進行二次處理，處理煤皮時嚴禁掘進機割碰混凝土墻及其附屬設施。

3)如果使用掘進機無法處理干凈遺留少量煤皮時，采取人工方法進行處理。

4)煤皮全部處理完畢后，對已暴露的混凝土墻墻體與巷道頂板間隙及時進行水泥灰塞縫抹面，確保頂部填充密實。

5 無煤柱開采技術(shù)在神東礦區(qū)的應用情況

目前神東礦區(qū)已經(jīng)在4個礦10個工作面實施了無煤柱開采技術(shù)，累計沿空留巷13131m，具體見表3。3.8m厚煤層工作面留巷速度達到15m/d，資源回收率提高了6%～7%，多回收煤炭資源78萬t，累計實現(xiàn)經(jīng)濟效益23400萬元，下一步將繼續(xù)加大無煤柱開采技術(shù)的推廣力度。

表3 神東無煤柱開采技術(shù)應用情況

6 結(jié) 論

1)通過采用機械化擋矸、快速泵柱和施工內(nèi)嵌式錨索等關(guān)鍵技術(shù)，成功實現(xiàn)了柔?；炷量焖傺乜樟粝?，3.8m厚煤層工作面留巷速度達到15m/d。

2)通過采用施工恒阻錨索、頂板預裂切縫等關(guān)鍵工藝，實現(xiàn)了切頂卸壓沿空留巷的成功應用。

3)神東礦區(qū)應用無煤柱開采技術(shù)資源回收率提高了6%～7%。