無煤柱自成巷技術(shù)在凌志達(dá)礦15501工作面的應(yīng)用

趙 杰

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046606）

0 引言

目前，傳統(tǒng)粗放型、低技術(shù)水平的煤炭開采方式已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，嚴(yán)重制約著礦井安全高效生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。近些年以來，隨著煤炭工業(yè)的不斷進(jìn)步，無煤柱自成巷技術(shù)成為取代傳統(tǒng)煤炭開采方式一項(xiàng)革命性技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)將傳統(tǒng)的“一面兩巷”采掘方式變?yōu)椤耙幻嬉幌铩钡牟删蚍绞剑粌H少掘一條巷道，節(jié)省了回采巷道掘進(jìn)時(shí)間，還能夠提升資源回收率，實(shí)現(xiàn)礦井可持續(xù)發(fā)展，并且已經(jīng)逐步應(yīng)用到全國(guó)不同類型的礦井實(shí)踐當(dāng)中。因此，本文以凌志達(dá)礦首先應(yīng)用無煤柱自成巷技術(shù)的15501工作面為研究對(duì)象，根據(jù)工作面實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)具體應(yīng)用方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 無煤柱自成巷技術(shù)

無煤柱自成巷技術(shù)，也就是110工法，是以何滿潮院士提出的切頂短臂梁理論發(fā)展起來的一項(xiàng)革命性采煤方法。以高預(yù)應(yīng)力恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)、控制頂板變形下沉、充分發(fā)揮頂板整體承載作用作為基礎(chǔ)前提，工作面推進(jìn)方向上在預(yù)留順槽巷道回采幫頂板進(jìn)行預(yù)裂切縫作業(yè)，以達(dá)到減小巷道頂板懸臂梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，從而形成巷道頂板短臂梁結(jié)構(gòu)的目的，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向性地阻斷頂板應(yīng)力傳導(dǎo)，減輕巷道圍巖受工作面采動(dòng)影響的程度。在工作面推進(jìn)過巷道該段位置之后，工作面頂板能夠沿著預(yù)裂切縫隨采隨落，采空區(qū)可以被碎脹后的矸石所充填，再利用布置于巷道回采幫的擋矸支護(hù)來保證留巷的完整性，實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)的“一面兩巷”采掘方式變?yōu)椤耙幻嬉幌铩钡牟删蚍绞剑罱K達(dá)到實(shí)現(xiàn)的無煤柱開采的目的，其技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 無煤柱自成巷技術(shù)原理示意圖

無煤柱自成巷技術(shù)是一次煤炭工業(yè)領(lǐng)域革命性創(chuàng)新技術(shù)，可以避免因留設(shè)煤柱所造成的煤炭資源浪費(fèi)，減少順槽巷道掘進(jìn)工程，從而實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，目前該技術(shù)已經(jīng)推廣到國(guó)內(nèi)160多個(gè)礦井當(dāng)中，并且使不同礦井條件也越來越廣泛。

2 15501工作面概況

凌志達(dá)煤業(yè)15501工作面走向長(zhǎng)度2 800 m，傾向長(zhǎng)度200 m，15號(hào)煤層厚度3.34～4.87 m，平均4.105 m，煤層產(chǎn)狀平緩，煤層最大傾角9°～11°，局部含2～3層矸石，厚約0.2 m，煤種屬無煙煤。其運(yùn)輸順槽長(zhǎng)度為2 750 m，計(jì)劃將無煤柱自成巷技術(shù)首先應(yīng)用于該條順槽巷道，以實(shí)現(xiàn)該條順槽巷道可以為下一工作面繼續(xù)服務(wù)，從而達(dá)到無煤柱開采的目的。工作面頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 15501工作面頂?shù)装鍘r性情況表

15501工作面兩順槽設(shè)計(jì)為矩形斷面，巷道凈斷面為5 000 mm×4 000 mm（寬×高），采用錨網(wǎng)索支護(hù)。巷道頂板安裝規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 200 mm；巷道中線安裝規(guī)格為φ17.8 mm×5 300 mm的鋼絞線錨索，排距為2 400 mm；回采幫安裝規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，煤柱幫安裝規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 200 mm。巷道原支護(hù)方式如圖2所示。

圖2 順槽巷道原支護(hù)方式示意圖

3 無煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)無煤柱自成巷技術(shù)的“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護(hù)”特點(diǎn)，結(jié)合工作面實(shí)際地質(zhì)條件情況，15501工作面應(yīng)用無煤柱自成巷技術(shù)的具體方案主要包括以下4個(gè)方面：

3.1 頂板預(yù)裂切縫設(shè)計(jì)方案

基于巖體自身抗拉性能較弱的特點(diǎn)，通過雙向聚能爆破預(yù)裂方法可以實(shí)現(xiàn)炮孔設(shè)定方向上具有拉應(yīng)力集中的良好效果，可以實(shí)現(xiàn)巖體按照預(yù)先設(shè)定方向被爆破拉裂成型的目的。預(yù)裂切縫鉆孔深度可以通過下述公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Hm為工作面采高，m；ΔH1為巷道頂板下沉量，m；ΔH2為巷道底板底臌量，m；k為巖體碎脹系數(shù)，取值范圍1.3～1.5。

巷道頂板主要為厚層灰?guī)r，頂板堅(jiān)硬，回采后采空區(qū)頂板煤巖體碎脹系數(shù)k取1.35。根據(jù)巷道掘進(jìn)資料顯示，工作面煤厚變化不大，巷道頂?shù)装逡平浚é1+ΔH2）取200 mm。工作面采高H煤取平均煤厚4.1 m。將上述各項(xiàng)參數(shù)代入公式1計(jì)算得H縫=11.1 m，因此切縫深度取12 m。切縫孔布置巷道回采幫邊緣處，間距為500 mm，角度為15°。

3.2 厚層堅(jiān)硬石灰?guī)r頂板弱化方案

根據(jù)工作面頂板上覆巖層特性，必須采用深孔爆破弱化處理方案來阻斷厚層堅(jiān)硬石灰?guī)r的應(yīng)力傳導(dǎo)，才能使其及時(shí)垮落從而達(dá)到避免頂板懸頂面積大，進(jìn)而取得良好留巷效果。根據(jù)目前礦井工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，爆破孔直徑75 mm，深度分別取14、16 m，角度分別取30°、45°，封孔長(zhǎng)度取4 m。爆破孔位于正幫頂角下方500 mm和1 000 mm處，孔間距5 m。

3.3 恒阻大變形錨索設(shè)計(jì)方案

在對(duì)預(yù)留巷道頂板實(shí)施預(yù)裂切縫之前，通過高預(yù)應(yīng)力恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)頂板支護(hù)，充分發(fā)揮巷道頂板自身承載作用，控制巷道頂板圍巖因工作面采動(dòng)而發(fā)生變形垮落。恒阻錨索長(zhǎng)度Lms可以通過下述公式（2）進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)上述Hf計(jì)算結(jié)果，并且結(jié)合巷道頂板巖層特性，需要將錨索錨固到頂板較穩(wěn)定的層位當(dāng)中，因此確定錨索長(zhǎng)度為13.3 m。恒阻大變形錨索具體布置方案如下：采用規(guī)格為φ21.8 mm×13 300 mm的高預(yù)應(yīng)力恒阻大變形錨索，恒阻器長(zhǎng)度、外徑分別為500、72 mm，恒阻值為33±2 t，預(yù)緊力≥25 t。垂直于巷道頂板打設(shè)，靠回采幫為第1列恒阻錨索，與回采幫的距離為500 mm，該列恒阻錨索排距為1 000 mm；與第1列恒阻錨索間距1 750 mm打設(shè)第2列錨索，該列恒阻錨索排距為2 400 mm；第3列恒阻錨索與第2列恒阻錨索間距也為1 750 mm，該列恒阻錨索排距也為2 400 mm。順槽切縫、深孔爆破鉆孔及恒阻錨索布置如圖3所示。

圖3 順槽切縫、深孔爆破鉆孔及恒阻錨索布置示意圖

3.4 巷道臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)方案

由于在工作面回采過程當(dāng)中，預(yù)留巷道不同位置所處應(yīng)力情況不盡相同。因此，結(jié)合其他礦井無煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用情況，制定出15501工作面運(yùn)輸順槽臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)方案，主要分區(qū)如圖4所示。

圖4 順槽巷道不同位置臨時(shí)支護(hù)示意圖

1）超前支護(hù)區(qū)（前30 m范圍內(nèi)）。該部分巷道處于工作面超前采動(dòng)影響區(qū)域當(dāng)中，需要采取補(bǔ)強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)的方式，設(shè)計(jì)采用單體液壓支柱配合長(zhǎng)度為3.2 m的π型鋼梁架設(shè)橫向梁，排距為1 m。

2）架后臨時(shí)支護(hù)區(qū)（架后0～250 m）。該部分巷道處于工作面超后采動(dòng)影響區(qū)域當(dāng)中，采空區(qū)應(yīng)力較大，破碎垮落煤巖體會(huì)對(duì)巷道頂板產(chǎn)生摩擦。設(shè)計(jì)采用門式支架的臨時(shí)支護(hù)方式，門式支架排距1 m。

3）成巷穩(wěn)定區(qū)（架后250 m之后）。該部分巷道圍巖較為穩(wěn)定，所受應(yīng)力較小且變化不大，可以撤出臨時(shí)支護(hù)設(shè)施并采用保U型可縮支架配合鋼筋網(wǎng)實(shí)施擋矸支護(hù)。U型可縮支架長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為3 m，可按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巷道高度進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，埋入底板深度不小于200 mm，配合上下2套卡蘭，搭接長(zhǎng)度不小于1.5 m，排距500 mm，相鄰U型可縮支架采用連接板連接牢固。鋼筋網(wǎng)采用φ6.5 mm鋼焊接成1 800 mm×1100 mm的金屬網(wǎng)。擋矸支護(hù)如圖5所示。

圖5 擋矸支護(hù)示意圖

4 無煤柱自成巷技術(shù)施工過程

15501運(yùn)輸順槽恒阻錨索加固及切頂卸壓總體施工過程如下：

1）恒阻錨索加強(qiáng)支護(hù)。在工作面開采至少超前100 m時(shí)，按照上述設(shè)計(jì)參數(shù)施工恒阻大變形錨索補(bǔ)強(qiáng)巷道頂板支護(hù)。

2）石灰?guī)r頂板深孔預(yù)裂與預(yù)裂切縫爆破。在工作面開采至少超前50 m時(shí)，按照上述設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)施爆破作業(yè)。單根聚能管長(zhǎng)度為1.5 m，設(shè)計(jì)每個(gè)爆破孔裝設(shè)6根聚能管。并在恒阻錨索超前加固不小于20 m時(shí)，沿著工作面推進(jìn)方向上實(shí)施一次性起爆頂板預(yù)裂切縫爆破作業(yè)。

3）架后擋矸支護(hù)。巷道設(shè)計(jì)采用門式支架臨時(shí)支護(hù)，撤出臨時(shí)支護(hù)后及時(shí)進(jìn)行擋矸支護(hù)。為避免出現(xiàn)漏風(fēng)情況，將U型可縮支架與鋼筋網(wǎng)之間鋪設(shè)風(fēng)筒布，搭接寬度30 cm，上下各超出30 cm，風(fēng)筒布超出部分與巷道頂?shù)装骞潭ɡ慰俊?/p>

4）噴漿。在巷道圍巖情況和頂?shù)装逡平糠€(wěn)定之后，對(duì)頂板垮落不充分區(qū)域?qū)嵤﹪姖{充填，噴漿厚度不小于100 mm，以保證下一個(gè)工作面使用需要。

5 無煤柱自成巷技術(shù)應(yīng)用效果

現(xiàn)場(chǎng)施工及成巷效果如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)施工及成巷效果

15501工作面留巷2 750 m，少掘巷道2 800 m（包括系統(tǒng)巷道50 m），不采用110工法留巷時(shí)，掘巷成本目前約8 500元/m，留巷概算成本為8 000元/m。留巷效益180萬元；按照原先需要留設(shè)20 m煤柱，15號(hào)煤平均煤厚4.1 m；容重1.40 t/m3進(jìn)行計(jì)算，采用無煤柱自成巷技術(shù)留巷2 750 m，工作面大約可多回收資源31.57萬t，目前噸煤售價(jià)500元/t，折合15 785萬元。因此，應(yīng)用無煤柱自成巷技術(shù)后，僅15501工作面就可多產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益15 965萬元。

6 結(jié)語(yǔ)

無煤柱自成巷技術(shù)在凌志達(dá)煤業(yè)15501工作面成功應(yīng)用后，不僅可以減少回采巷道掘進(jìn)工程，從而保障礦井采掘銜接，并且還能夠大幅提升資源回收率，從而實(shí)現(xiàn)礦井可持續(xù)發(fā)展，對(duì)于將無煤柱自成巷技術(shù)推廣到該礦其他工作面具有積極的實(shí)踐意義。