110工法在中厚煤層開采中的應用研究

李 彪

(太原市梗陽實業(yè)集團有限公司 麥地掌煤礦，山西 太原 030400)

在我國煤礦開采工業(yè)中，整層走向長壁采煤法有廣泛的應用。這種采煤方法的特點是回采工作面沿煤層傾斜方向布置，回風平巷和運輸平巷并列分布在回采工作面的上方和下方，整體沿走向方向推進[1]。這種采煤方法適用于多種不同長度的工作面，尤其適用于緩斜薄及中厚煤層，同時巷道布置簡單、單位采煤量掘進成本較低，能夠顯著提升煤礦開采的經濟效益。采用這種方法進行煤礦開采，面臨煤層開采后區(qū)段煤柱剩余量大、巷道圍巖易變形等問題。為了克服這些缺陷，學術和工業(yè)界相繼提出了沿空留巷無煤柱開采技術和切頂卸壓無煤柱自成巷技術[2-3]。這兩種技術在應用時，相鄰長壁工作面均不需要保留煤柱，相比于留煤柱開采技術能有效提高煤層開采效率、降低煤礦開采成本。具體來說，沿空留巷無煤柱開采技術在煤礦開采歷史中出現得比較早，主要采用在靠采空區(qū)一側巷道旁充填等方法進行護巷，具有施工簡單、護巷效果好等優(yōu)點，但是充填不當會影響煤礦開采作業(yè)進度[4]；切頂卸壓無煤柱自成巷技術相對而言出現得比較晚，主要通過在回采巷道采空區(qū)一側采用定向爆破技術切斷采空區(qū)和巷道頂板，使其自然脫落后形成巷幫，從而實現沿空留巷[5]。相比于沿空留巷無煤柱開采技術，在切頂卸壓無煤柱自成巷技術基礎上所發(fā)展起來的無煤柱自成巷110工法所成巷道質量較為堅固，能夠有效阻隔采空區(qū)不平衡壓力傳遞、降低巷道充填及維護成本，是當前各大礦區(qū)重點推廣的技術。本文研究了無煤柱自成巷110工法在太原麥地掌煤礦中厚煤層開采過程中的應用，論述了主要施工步驟并指明了關鍵工程技術措施，同時總結了采用該技術后獲取的效益。

1 工程概況

太原麥地掌煤礦位于山西省清徐縣馬峪鄉(xiāng)陳家坪、麥地掌村及古交市邢家社鄉(xiāng)陳家社村一帶，南距清徐縣城約10 km.該煤礦年生產規(guī)模120萬t，開采深度分布在-1 000～-650 m(標高)。

該煤礦2號煤層為穩(wěn)定可采煤層，采用切頂卸壓無煤柱自成巷技術進行開采。該煤層煤巖走向角度偏大，同時具有褶曲地質構造、斷層地質構造和陷落柱地質構造三種結構形式，其中褶曲地質構造總體為向西傾斜(傾角東部大于西部)的單斜構造，除地質構造附近外地層產狀較穩(wěn)定；小斷層和次一級褶曲發(fā)育較完善，是導致圍巖破碎易垮落的主要原因，影響巷道掘進質量；陷落柱發(fā)育較完善，單個陷落柱在平面上呈(橢)圓形，在剖面上呈倒錐形，其中填充物較致密，密實程度好，平均16個/km2，對煤層的破壞直徑達(70±30)m.根據巷道煤(巖)層產狀及地質構造分析可以發(fā)現，110工法適用于麥地掌煤礦的開采。另外，該礦區(qū)無巖漿巖體、沖刷帶等地質構造，陷落柱面積占開采面積的4.5%，造成煤巖層產狀局部發(fā)生變化，陷落柱對煤層開采及巷道施工影響較大。因此，確定采用何滿朝院士提出的110工法進行煤資源采集[6-7]，同時采用切頂卸壓無煤柱自成巷技術進行巷道構建施工。

2 工藝原理

2.1 技術概述

無煤柱自成巷110工法的基本原理是回采1個工作面、掘進1條巷道、留設0個煤柱(也就是不留設煤柱)[6]。不同于傳統(tǒng)的采煤工藝，110工法在實施過程中有效改變了長壁開采一面雙巷模式，通過對巷道正幫側頂板采取定向預裂，從而縮短了順槽采空區(qū)側頂板懸臂梁的長度，同時切斷采空區(qū)頂板與巷道頂板應力傳遞路徑，以達到減小巷道頂板壓力集中的目的[8]；同時，為了增強巷道頂板的穩(wěn)定性，在頂板采取錨索補強支護，待工作面推過后，在礦壓作用下頂板將沿預裂切縫自動切落形成巷幫，作為下一個工作面的巷道以便二次使用[9]。采用這種方法進行煤層開采，既隔離了采空區(qū)，又保持了巷道的完整性，實現了單面單巷開采，有效節(jié)約了資源并提高了生產效率。

采用這種工法進行煤層開采，可以實現采區(qū)內減少掘進巷道、防止遺留煤柱與瓦斯混合自燃、縮短回采巷道長度等多項經濟、管理、技術效益的綜合提升，能夠確保煤礦采留一體化連續(xù)安全生產，代表了未來實現第三次礦產開采技術革命的方向。

結合太原麥地掌煤礦的地質特點和開采方案，在該煤礦中推廣應用無煤柱自成巷110工法，平面布設如圖1所示。

圖1 無煤柱自成巷110工法平面布設

2.2 技術流程

在中厚煤層開采中實施無煤柱自成巷110工法，可以綜合運用恒阻大變形錨索頂板支護技術，雙向聚能張拉成型爆破超前預裂切頂技術，“恒阻大變形錨索+單體液壓支柱+U型鋼”巷道圍巖聯合支護技術及切頂卸壓自動成巷礦壓遠程監(jiān)測技術，按照圖2所示的流程進行實施。

圖2 無煤柱自成巷110工法在單厚煤層開采中的實施流程

3 關鍵工藝

在太原麥地掌煤礦中積極推進無煤柱自成巷110工法，結合該煤礦的地質和煤層分布特點對110工法進行適應性改進，同時探索制定了頂板定向預裂成縫、恒阻錨索補強加固、擋矸及巷道臨時支護等關鍵工藝的實施方法和質量檢查項目。

3.1 頂板定向預裂成縫技術

結合麥地掌煤礦圍巖多以斷裂層為主的特點，為了充分利用圍巖抗壓特性，同時達到使巖石按設定方向拉裂成型的目的，采用雙向聚能爆破預裂技術對頂板進行處理。

根據地質勘查報告及過去的施工經驗，可以發(fā)現預裂切縫鉆孔深度與采高、頂板下沉量及底鼓量有關，符合以下關系[10]：

H=(Hc-△H1-△H2)/(k-1)

(1)

式中：H為預裂切縫鉆孔深度，m；Hc為煤層采高，m；△H1為頂板下沉量，m；△H2為底鼓量，m；k為碎脹系數，一般取1.3～1.5.

根據掘進資料，工作面煤層采高期望值為1.87 m，根據公式(1)計算可得預裂切縫鉆孔深度H需達到9 m.此時，沿巷道方向規(guī)劃好預裂線，在其上安裝特制的雙向聚能裝置，使聚能方向與巖體預裂方向保持水平，待炸藥起爆后對巖體預裂方向產生集中受拉作用，從而實現頂板按設定方向張拉斷裂成型的目的。采用這種預裂方法，可以實現預裂縫的有效可控，避免對周圍圍巖產生損傷，同時減少炸藥使用量，能夠有效降低煤炭開采成本。

對預裂成縫效果進行檢驗，可以獲取如表1所示的數據。

從表1可以看出，采用該技術可以在較高精度內達到頂板切縫預裂的效果，為后續(xù)煤層開采奠定了基礎。

表1 頂板預裂切縫鉆孔質量檢查指標

3.2 恒阻錨索補強加固技術

在無煤柱自成巷110工法中，恒阻錨索補強加固技術經常和頂板定向預裂成縫技術配合使用，確保頂板在預裂縫形成之后能夠保持長期的穩(wěn)定性。恒阻錨索需要固定在穩(wěn)定性良好的巖層內，在留巷中起著懸吊和補強支護的作用。在麥地掌煤礦中，為了達到預定的補強支護效果，根據設計方案，麥地掌煤礦選擇的恒阻錨索基本參數滿足表2中列出的指標。

表2 恒阻錨索選擇參數

在麥地掌煤礦中應用無煤柱自成巷110工法，考慮到特殊的地質結構，同時為了進一步降低成本，經過測算，采用恒阻錨索與普通錨索混合搭配的方式實現加固，具體布設如圖3所示。

圖3 錨索補強支護設計(mm)

恒阻錨索的安裝與檢查，可以參照表3進行。

表3 恒阻錨索的安裝與質量檢查標準

3.3 擋矸及巷道臨時支護技術

麥地掌煤礦在利用110工法實現工作面推進過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響；工作面開采后，頂板開始垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸支護。隨著工作面繼續(xù)推進，當巷道距工作面較遠時，頂板運動基本會趨于穩(wěn)定，此時可將架后臨時支護的設備撤掉，只進行擋矸支護即可。因此，根據距離工作面的遠近不同，將巷道整體分為超前支護區(qū)(工作面前方30 m)、架后臨時支護區(qū)(架后0～300 m)和成巷穩(wěn)定區(qū)(架后300 m之后)，不同分區(qū)根據需要采取不同的支護措施。

超前支護區(qū)采用NPR錨索重點對頂板進行加固支護；架后臨時支護區(qū)對頂板單體梁進行臨時加強支護，同時采用鋼筋網與可伸縮U型鋼進行聯合擋矸支護；成巷穩(wěn)定區(qū)域內的頂板已趨于穩(wěn)定，利用單體柱和可伸縮U型鋼進行擋矸支護。另外，為了保證施工質量，對碎石幫進行高分子化學漿噴射，同時配合礦壓監(jiān)測，確保巷道內滿足通風和通行需要。

對各個區(qū)域內的支護質量進行質量檢查，可以遵照表4進行。

表4 擋矸及巷道臨時支護質量檢查標準

4 實施效果

在太原麥地掌煤礦中推行無煤柱自成巷110工法，經過一年多的工程實踐，取得了良好的經濟效益和社會效益，證明了這種工法的高效性和科學性。

1) 經濟效益。通過實施無煤柱自成巷110工法，麥地掌煤礦單一工作面軌道順槽少掘巷道1 710 m，采煤量增加了10%，半煤巖巷掘進費用節(jié)省了30%，減少了約1條巷道的掘進工作量，有效減少了資金投入，提升了煤礦的抗金融風險能力。

2) 社會效益。通過實施無煤柱自成巷110工法，切斷了“砌體梁”和“傳力巖梁”的應力傳遞，有利于頂板巖層控制；改變和優(yōu)化了巷道圍巖壓力分布規(guī)律，有效降低了高應力環(huán)境威脅；縮短了近一半的掘巷時間，緩解了回采工作面連續(xù)不間斷施工帶來的安全壓力。

5 結 語

1) 無煤柱自成巷110工法在太原麥地掌煤礦中進行探索應用，通過最終的效益提升對比進一步證明了該工法具有良好的經濟效益和管理效益，具有較強的實用性和先進性。

2) 無煤柱自成巷110工法在實施過程中，頂板定向預裂成縫、恒阻錨索補強加固、擋矸及巷道臨時支護等屬于關鍵工藝，需要對其結合煤礦特點進行適應性改進，同時需要制定科學的質量檢測指標，通過質量檢測發(fā)現工法實施過程中的缺陷并及時進行改進，這樣才能形成閉環(huán)管理效應。

3) 本文總結形成的無煤柱自成巷110工法實施要點適用于中厚煤層的開采，相關煤礦可以在此基礎上進行適應性改進，從而進一步擴大110工法的應用范圍。