煤礦井下自動成巷無煤柱開采技術(shù)的應用分析

喬 勇

（內(nèi)蒙古白音華海州露天煤礦有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026200）

內(nèi)蒙古西烏珠穆沁旗白音華鎮(zhèn)四號礦S1482-II綜采面傾向長297 m，走向長2366 m，均厚5.2 m，平均傾角1.4°?；卷敒榧毶皫r結(jié)構(gòu)，均厚11.6 m；直接頂為泥砂巖和粉砂巖的混合結(jié)構(gòu)，均厚4.75 m。煤礦采用一次采全高、走向長壁后退式、綜合機械化采煤，全部垮落法管理頂板。在綜采面布置接替過程中需留設(shè)大量的煤柱，容易產(chǎn)生應力集中，導致支護結(jié)構(gòu)失效，巷道變形量大，安全性差。為此，提出了進行自動成巷無煤柱開采試驗。

1 自動成巷無煤柱開采工藝流程分析

煤礦井下自動成巷無煤柱開采技術(shù)對綜采面回采的方式和井下巷道成巷原理一致，邊采煤邊留巷[1]，把形成的巷道保留下來，作為后續(xù)綜采面的回采巷。

在巷道內(nèi)進行適當調(diào)整，使采煤機在割刮板輸送機末端的煤炭時能超越機尾，形成一個弧形的巷幫[2]，在截割形成的空間內(nèi)進行恒阻大錨索支護并在綜采面端部進行頂板定向切縫。

隨著采面的推進，巷道頂板切縫外側(cè)的部分會在綜采擾動和礦壓下自行垮落，在支架后側(cè)形成一個穩(wěn)定的碎石幫。由于碎石的碎脹特性，碎石幫堆積的碎石會逐漸被壓實，形成一個沿著采空區(qū)的碎石幫支撐，與另一側(cè)煤壁共同形成支撐結(jié)構(gòu)，保證巷道在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。煤礦井下綜采面無煤柱回采及巷道成巷機理如圖1。

圖1 綜采面無煤柱回采及巷道成巷機理示意圖

由自動成巷無煤柱開采技術(shù)工藝流程分析，巷道頂?shù)装搴蛯嶓w煤側(cè)的弧形巷幫是由采煤機截割而成的，碎石幫側(cè)則是由頂板垮落后的碎石堆積而形成的。因此在綜采作業(yè)過程中需要重點對巷道頂板和碎石幫的穩(wěn)定性進行研究。

自動成巷無煤柱開采技術(shù)主要包括了巷道成巷、巷道頂板預裂爆破、巷道穩(wěn)定性支護、人員綜采作業(yè)流程優(yōu)化等。結(jié)合煤礦井下的實際情況，需重點對巷道布局、預裂切縫參數(shù)設(shè)置、巷道穩(wěn)定性控制技術(shù)（巷道的穩(wěn)定性主要取決于頂板恒阻大錨索支護、頂板臨時加強支護、碎石幫的穩(wěn)定性支護三個方面）進行分析。

2 無煤柱開采關(guān)鍵參數(shù)確定

根據(jù)煤礦井下自動成巷無煤柱開采理論，設(shè)計了S1482-II 綜采面及巷道的布局特征，順槽面的寬度為6200 mm，高度為3800 mm，采用了“Z”型通風結(jié)構(gòu)。綜采面的巷道布局結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 綜采面巷道布局結(jié)構(gòu)示意圖（m）

3 頂板定向切縫設(shè)計

根據(jù)對綜采面地質(zhì)情況的分析，采空區(qū)頂板巖層在垮落以后的碎脹系數(shù)為1.4，井下綜采面區(qū)域的底鼓量和頂板下沉量總計400 mm，因此結(jié)合切頂高度計算公式h[3]：

式中：M為煤層開采厚度，取4.12 m；H1為綜采面頂板下沉量，m；H2為綜采面底板的底鼓量，m；K為巖層在垮落以后的碎脹系數(shù)。綜合計算可得，該綜采面的切頂高度應為9300 mm。根據(jù)井下巷道的地質(zhì)情況，考慮施工的便捷性和經(jīng)濟性，結(jié)合施工經(jīng)驗，將切頂高度定為9000 mm，頂板預裂切縫的角度設(shè)置為10°。

在制定爆破方案時，根據(jù)試驗驗證情況，選擇了“5+4+3+3+2”的爆破裝藥結(jié)構(gòu)[4]，所用爆破藥為直徑32 mm、長度200 mm 的乳化炸藥，炮孔封泥的長度不低于1500 mm，炮孔的間距為500 mm。井下爆破后的結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 井下定向切縫爆破效果示意圖

4 巷道頂板錨索支護設(shè)計

綜采面巷道頂板的巖層平均單位重量為25.9 kN/m3，根據(jù)單位長度巷道切頂巖層的載荷平衡計算方法，確定每個錨索在固定時的錨固力不能低于326 kN，根據(jù)對恒阻錨索結(jié)構(gòu)參數(shù)分析，最終確定選用直徑為21.8 mm、恒阻值為350 kN 的恒阻錨索。錨索在錨固時的長度不低于9300 mm，固定時所需剛絞線的長度需要根據(jù)井下的實際情況選擇。

在錨索設(shè)置時，由于采煤機的綜采步距是800 mm，為了滿足井下施工便捷性和可靠性的需求，需要在綜采面每進行一個采煤步距，進行一次恒阻錨索的施工。第一列錨索和切縫的距離約為0.6 mm，排距約為2.5 m，第二列錨索和第一列錨索之間的距離設(shè)置為1.5 m，排距設(shè)置為2.5 m，其支護密度設(shè)置為0.7 根/m2。在各個錨索的縱向，需要設(shè)置專門的W 型鋼帶[5]進行加強，滿足支護。其支護結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 巷道頂板恒阻錨索支護結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

5 巷道頂板的臨時支護

在采空區(qū)側(cè)設(shè)置液壓支架，間隔2400 mm 分別布置一個單體支柱，在綜采擾動和礦壓波動情況下支架所受的最大的沖擊載荷為29 MPa，因此在對巷道頂板進行臨時支護時，從物料運輸便捷性和安全性方面考慮，所使用的臨時支護設(shè)備為額定工作阻力40.8 MPa 的護幫支架，支架設(shè)置在實體煤幫位置，間隔為2400 mm，同步在支架和支柱的頂部分別設(shè)置“π”形狀的型鋼[6]，提高支護穩(wěn)定性。

6 碎石幫的穩(wěn)定性支護

為了保證碎石幫支護穩(wěn)定性，提出了“側(cè)方位動靜結(jié)合、縱方向伸縮讓壓結(jié)合”的控制方案，利用鋼筋網(wǎng)、擋矸板、護幫支架等進行綜合支護。將擋矸板布置在靠近采空區(qū)一側(cè)，外圍再依次布置鋼筋網(wǎng)、護幫支架。考慮到井下支護物料轉(zhuǎn)運的便捷性，將擋矸板利用三塊鋼板拼接成一個長度為6000 mm、高度為1800 mm 的大板，擋板的前側(cè)和液壓支架后部鉸接在一起，跟隨著液壓支架的移動而不斷調(diào)整擋護位置。

當碎石幫處垮落的碎石打到擋矸板上后，擋板將沖擊載荷分散到兩側(cè)的支架和護幫板上，減少對支護結(jié)構(gòu)的沖擊，護幫支架的上側(cè)和下側(cè)分別沿著巷道軸向設(shè)置一個長為2400 mm 的可伸縮橫梁，利用千斤頂將其側(cè)推到可伸縮U 型鋼上，從而構(gòu)成一個完整而穩(wěn)固的碎石幫側(cè)向支護結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際應用分析，當支架前移以后，在采空區(qū)一側(cè)的頂板能夠快速向采空區(qū)垮落，通常滯后支架后側(cè)約3 m 的距離。

7 應用情況

目前自動成巷無煤柱開采技術(shù)已經(jīng)在S1482-Ⅱ綜采面得到了成功應用。為了對綜采過程中的巷道變形情況進行分析，利用位移傳感器對巷道頂板的變形量進行監(jiān)測，在開采過程中巷道變形量變化情況如圖5。

圖5 巷道頂板變形量變化示意圖

由圖5 可知，當開采距離超過150 m 以后，留巷頂板的變形量基本上趨于穩(wěn)定了，此時巷道頂板的變形量約為59 mm，此時可以將液壓支架進行回撤?；爻泛笙锏理敯宓淖冃瘟窟M一步增大，當距離達到約250 m 時，巷道頂板的變形量開始趨于穩(wěn)定并保持在68 m。與優(yōu)化前的286.9 mm 相比，巷道變形量降低了76.3%，極大提升了巷道的穩(wěn)定性。

按巷道長度2366 m 計算，采用全新的自動成巷無煤柱開采技術(shù)后，減少了巷道掘進量，整體節(jié)約巷道掘進成本1500 萬，多回收煤炭約19 萬t，按每噸345 元計算，年增加經(jīng)濟效益約為6555 萬元，極大提升了煤礦綜采作業(yè)的效率和經(jīng)濟性。

8 結(jié)論

1）巷道頂板和碎石幫的穩(wěn)定性主要取決于頂板恒阻大錨索支護、頂板臨時加強支護、碎石幫的穩(wěn)定性支護三個方面；

2）通過頂板定向切縫預裂+巷道綜合支護的巷道頂板穩(wěn)定性控制方案及“側(cè)方位動靜結(jié)合、縱方向伸縮讓壓結(jié)合”的巷幫控制方案能夠顯著提升留巷的穩(wěn)定性；

3）該項目在白音華鎮(zhèn)四號礦應用以來，能夠?qū)⑾锏理敯逑鲁亮拷档?6.3%，節(jié)約巷道掘進成本，經(jīng)濟效益顯著。