無煤柱自成巷110工法在新維煤礦近距離煤層群開采中的應(yīng)用

胡雷 銀正川 王克雄 王才文

摘? 要：新維煤業(yè)可采煤層分別是2、3、8#煤層，其中首采保護(hù)層是2#煤層，平均煤厚1.06m，3#煤層平均厚1.5m，距2#煤層底板距離3～5m，8#煤層平均厚3.0m，距3#煤層底板距離25～30m。本文以2108、3106、8102綜采工作面為例，利用無煤柱自成巷110工法技術(shù)，通過強(qiáng)化巷道支護(hù)質(zhì)量，確保切頂護(hù)巷質(zhì)量，滿足后續(xù)采煤工作面正常使用，同時通過實(shí)踐不斷完善支護(hù)及切頂參數(shù)，為新維煤礦近距離煤層群開采沿空切頂留巷留下一套成熟的技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：近距離煤層群? 沿空切頂留巷? 強(qiáng)化支護(hù)? 切頂參數(shù)? 技術(shù)體系

中圖分類號：TD355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（c）-0015-05

Abstract： The mineable coal seams of Xinwei coal industry are 2 # ， 3 # and 8 # coal seams respectively， of which the first protective seam is 2 # coal seam， the average coal thickness is 1.06 m， the average coal seam thickness is 1.5 m， the distance from the floor of 2 # coal seam is 3-5 m， and the average thickness of 8 # coal seam is 3.0 m， 25～30m from floor of No. 3 Coal Seam. Taking 2108，3106，8102 fully mechanized coal mining face as an example， this paper makes use of 110 working method technology without coal pillar to form its own roadway， through strengthening roadway supporting quality， ensuring the quality of roof cutting and roadway protecting， and meeting the normal use of follow-up coal mining face， at the same time， the parameters of support and roof-cutting are perfected through practice， leaving a set of mature technical system for the close-distance coal seam group mining along Goaf and roof-cutting retained roadway.

Key Words： Close-distance coal seam group; Roof cutting and retaining roadway along goaf; Strengthening support; Roof cutting parameters; Technical system

自2008年，何滿潮院士提出“切頂短臂梁”支護(hù)理論[1]，利用頂板預(yù)裂切縫和自有礦山壓力，在采空區(qū)側(cè)定向切縫，將頂板的部分礦山壓力傳遞切斷，利用變形量大的恒阻錨索對巷道頂板進(jìn)行控制，保證受采動影響區(qū)護(hù)巷段圍巖穩(wěn)定，利用頂板巖層壓力[2]，利用切頂放炮，實(shí)現(xiàn)自動成巷和無煤柱開采，消除或減少事故災(zāi)害的發(fā)生，形成切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術(shù)，并于2010年在川煤集團(tuán)白皎煤礦244工作面成功應(yīng)用[3]。同時提出了切頂卸壓自成巷開采工藝，實(shí)現(xiàn)了長壁開采110工法，即回采一個工作面，只需掘進(jìn)一個順槽巷道，另一個順槽巷道自動形成，取消區(qū)段煤柱，實(shí)現(xiàn)了無煤柱開采，開始了我國第三次礦業(yè)技術(shù)變革探索[4-6]，沿空切頂留巷即無煤柱自成巷110工法在我國大部分礦井開始推廣應(yīng)用，部分煤炭企業(yè)此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)趨于成熟[7-9] 。

新本井田含煤地層為二迭系上統(tǒng)宣威組，總厚度平均141m，煤層總厚度一般為8m，總含煤系數(shù)為6%。可采和局部可采煤層有四層，從上至下編號為2、3、7、8號煤層，可采煤層總厚度一般6.74m，可采含煤系數(shù)5%，含可采煤層的宣威組上段一般厚度43m，含煤7～9層，煤層總厚度平均8.76m，占該段厚度的20%;含可采和局部可采煤層四層，可采煤層總厚度7.68m，占該段厚度的18%。可采煤層的有益厚度為5.78m，可采厚度平均5.5m，各可采煤層頂板多為泥巖、炭質(zhì)泥巖及細(xì)粉砂巖，局部為粗粉砂巖及薄層灰?guī)r，一般都存在偽頂。底板多為淺灰色粘土巖，局部可見細(xì)粉砂巖。各可采煤層間距一般橫向變化不大，層間距的大小一般隨砂巖厚度增厚而加大，而隨泥巖含量的增多而減小[10]。

為降低巷道掘進(jìn)率、緩和采掘接替緊張的現(xiàn)狀、減少工作面順槽保護(hù)煤柱的損失、提高采煤工作面回采率及減少因留煤柱而導(dǎo)致對下覆煤層的巷道應(yīng)力集中，新維煤礦強(qiáng)推無煤柱自成巷110工法技術(shù)，通過不斷摸索，形成新維特色的沿空切頂成巷技術(shù)體系。

1? 無煤柱自成巷110工法支護(hù)參數(shù)

1.1 無煤柱自成巷110工法技術(shù)工藝流程

無煤柱自成巷110工法技術(shù)實(shí)質(zhì)上是采空區(qū)后方頂板在礦山壓力作用下，通過預(yù)裂（爆破、切頂眼）切縫垮落自動形成巷幫，充分利用原巷道部分空間和采空區(qū)側(cè)擋矸支護(hù)形成沿空護(hù)巷，作為鄰近下一工作面回采巷道的技術(shù)，切頂成巷原理如圖1所示。

1.2 新維煤業(yè)2#煤層切頂支護(hù)參數(shù)（2108工作面為例）

2108工作面風(fēng)巷靠工作面煤壁側(cè)采用大變形恒阻錨索+W鋼帶支護(hù)，錨索為Φ21.6mm鋼絞線加工而成，L=7300mm，錨索間距2000mm，沿傾斜方向平行布置，距工作面煤壁650mm;錨盤為長×寬×厚=300×300×16mm的鋼板加工而成;錨索眼孔孔深度7000mm，錨索外露長度為250～300mm，角度≮75°，用1支CK2350快速藥卷和2支Z2850慢速藥卷進(jìn)行錨固，預(yù)緊力≮260KN。

2108工作面風(fēng)巷中線采用普通錨索支護(hù)，錨索為Φ15.24mm鋼絞線加工而成，L=7300mm，錨索間距3000mm，沿傾斜方向平行布置，距工作面煤壁為2150mm，錨盤為長×寬×厚=300×300×10mm的鋼板加工而成，眼孔深度為7000mm，外露長度為250～300mm，角度≮75°，用3支MSCK2350樹脂藥卷錨固，預(yù)緊力≮100KN。機(jī)風(fēng)巷20m超前支護(hù)為雙排單體液壓支柱，間、排距=1000×2000mm;巷旁支護(hù)為兩根U29/25型鋼搭接沿切頂線方向進(jìn)行支護(hù)，長度為2400mm、1640mm，搭接長度1000mm，用2付抱箍固定牢固;U型鋼間距為700mm。

在2108風(fēng)巷擋矸支護(hù)采空區(qū)一側(cè)施工金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布背幫，網(wǎng)搭接長度為100mm，用鉛絲固定保證風(fēng)筒布、網(wǎng)的平整和緊實(shí)。金屬網(wǎng)搭接時應(yīng)上接頂，下接底，并在U型鋼上搭頭，保證風(fēng)筒布、金屬網(wǎng)有100mm的外露長度，擋矸支護(hù)距端頭支架微端距離≯600mm。

沿空護(hù)巷頂板采用“一梁三柱”強(qiáng)化支護(hù)，間距為1000mm沿巷道中心線施工，梁為11#工字鋼加工，長度3.5m;單體支柱第一排在2108風(fēng)巷東幫距巷道中心線1450mm、第二排在2108風(fēng)巷東幫距巷道中心線850mm、第三排在2108風(fēng)巷順槽西幫距巷道中心線1650mm。

1.3 新維煤業(yè)3#煤層切頂支護(hù)參數(shù)（3106工作面為例）

在巷道掘進(jìn)過程中巷道頂部施工雙排錨索，錨索間、排距3000mm×3000mm，錨索為Φ15.24mm鋼絞線加工制作，長度3600mm，沿巷道傾斜方向平行布置，距工作面煤壁600mm;錨索采用2支MSCK2350樹脂藥卷錨固。預(yù)緊力不少于12t;眼孔深度為3300mm，外露長度為150～250mm，角度≮75°。巷道掘進(jìn)期間，巷道頂板距采空區(qū)底板大于3m則采用錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)，小于3m時采用金屬三節(jié)棚+噴漿進(jìn)行支護(hù)。工作面20m超前支護(hù)采用單體戴帽點(diǎn)柱+工字鋼（一梁二柱）回采過程中只需將施工三節(jié)棚腿便形成三節(jié)棚支護(hù)頂板，切頂眼距工作面?zhèn)软敯宓木嚯x為100mm。

沿空留巷段采用工字鋼三節(jié)棚+單體液壓支柱（一梁二柱）強(qiáng)化支護(hù)，待切頂留巷段采空區(qū)頂板垮落充分且壓力穩(wěn)定、頂板完好，確認(rèn)采空區(qū)側(cè)工字鋼支設(shè)牢固后方可撤回垮落穩(wěn)定段（距工作面煤壁線不小于60m）巷道內(nèi)的單體液壓支柱，同時保證切頂護(hù)巷的巷道寬度。如圖2所示。

1.4 新維煤業(yè)8#煤層切頂支護(hù)參數(shù)（8102工作面為例）

巷道支護(hù)錨索為Φ15.24mm鋼絞線加工而成，L=7300mm，間距1000mm沿傾斜方向平行布置，單排錨索距回采工作面煤壁600m，;采用3支MSCK2350樹脂藥卷錨固。預(yù)緊力不少于12t;錨盤采用長×寬×厚=300×300×10mm的鋼板加工;眼孔深度7000mm，外露長度為150～250mm，角度≮75°，工作面20m超前支護(hù)為單體戴帽點(diǎn)柱，當(dāng)巷道頂板支護(hù)后，沿工作面?zhèn)仁┕で许斞郏许斞劬喙ぷ髅婷罕趥?cè)距離100mm。使用11#礦工鋼沿切頂線方向支護(hù)，間距為700mm，距切頂眼的距離為50mm。前期支護(hù)工字鋼長度3500mm后期根據(jù)現(xiàn)場巷道實(shí)際高度調(diào)整工字鋼長度。在護(hù)巷段巷旁支護(hù)施工金屬網(wǎng)+竹笆片+金屬網(wǎng)背幫，網(wǎng)與網(wǎng)搭接100mm，要在擋矸支護(hù)上搭頭，且外露長度≮100mm，巷旁支護(hù)噴厚為100mm。護(hù)巷段用工字鋼+單體液壓支柱（一梁三柱）加強(qiáng)支護(hù)，待采空區(qū)頂板垮落充分且巷道頂板壓力穩(wěn)定后，可回撤垮落穩(wěn)定段（距工作面煤壁線≮60m）巷道內(nèi)的單體液壓支柱。

2? 切頂技術(shù)參數(shù)

2.1 新維煤業(yè)2#、8#煤層

2.1.1 切頂眼施工技術(shù)參數(shù)

切頂眼距工作面?zhèn)染嚯x為150mm施工，眼距500mm，施工時保證切頂眼在同一直線上，確保切頂效果，鉆孔施工采用Φ46mm鉆頭，切頂眼深5m，與工作面走向成水平夾角78°。

2.1.2 聚能管加工技術(shù)參數(shù)

聚能管采用外徑Φ40mm，內(nèi)徑Φ36mmPVC管加工制作，聚能管單軸抗壓強(qiáng)度≮1.6MPa;并在聚能管對稱的兩側(cè)面按間距10mm、大小5mm密集鉆眼。

2.1.3 聚能管裝藥及炸藥、雷管技術(shù)參數(shù)

切頂眼利用聚能管裝藥定向爆破，裝藥參數(shù);使用煤礦許用3#乳膠炸藥，每眼裝藥4條（根據(jù)爆破效果適當(dāng)增減），封泥長度≮1500mm;雷管為毫秒延期導(dǎo)爆電雷管。如圖3所示。

2.2 新維煤業(yè)3#煤層

3#煤層頂板距2#煤層底板3～5m，且在2#煤層采空區(qū)下部回采，頂板隨采隨垮，3#煤層施工切頂眼無需放切頂炮亦能達(dá)到預(yù)裂切縫效果，切頂眼眼距為500mm，距工作面?zhèn)染嚯x為100mm成一條線施工，鉆孔施工用Φ46mm鉆頭，眼深2.5～3.0m，沿工作面走向水平夾角80°。

3? 切頂成巷效果分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

無煤柱自成巷煤礦開采運(yùn)用具有很好的社會效益和技術(shù)效益，同時還有很好的經(jīng)濟(jì)效益。以新維煤業(yè)2108綜采工作面為例，使用110工法無煤柱開采工藝后沿空巷道材料成本1970.218元/m，與開掘同樣巷道材料成本3788.98元減少成本1998.762元，按600m切頂成巷核算，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)163萬元，同時解放的下覆3、8#煤層帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，在不斷優(yōu)化技術(shù)參數(shù)后，90%以上擋矸支護(hù)材料能回撤直接復(fù)用，節(jié)約大量的材料成本。如表1所示。

以3106工作面為例，使用110工法無煤柱開采工藝后沿空巷道材料成本1081.978元/m，與開掘同樣巷道材料成本3767.8元減少成本2235.8元，按520m切頂成巷核算，直接經(jīng)濟(jì)效益約達(dá)134萬元。以8102工作面為例，使用110工法無煤柱開采工藝后沿空巷道材料成本1120.218元/m，與開掘同樣巷道材料成本3767.8元減少成本2647.582元，按400m切頂成巷核算，直接經(jīng)濟(jì)效益約達(dá)106萬元。

3.2 安全、社會效益

在首采保護(hù)層開采中使用無煤柱自成巷110工法技術(shù)，降低巷道（尤其是下覆煤層）因應(yīng)力集中變形維護(hù)、維修成本;同時可以解放下覆煤層，使下覆被保護(hù)層巷道掘進(jìn)或回采均處于卸壓區(qū)內(nèi)，對下覆煤層巷道或工作面的頂板控制起積極推動作用，積極推動礦井的安全高效生產(chǎn)，有良好的安全效益。

無煤柱自成巷減少煤柱損失，節(jié)約煤炭資源，增加了回采工作面的可采儲量并提高回采率;以2108工作面為例，增加煤柱煤炭1.2萬t，按市場價420元/t計算，創(chuàng)收500萬元，與留設(shè)保安煤柱相比，少掘進(jìn)巷道600m，降低礦井掘進(jìn)率，緩解礦井接續(xù)緊張且下覆開采的煤層位于卸壓范圍內(nèi)，減輕頂板治理的成本。

無煤柱自成巷技術(shù)有利于巷道日常維護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐，使用110工法新支護(hù)技術(shù)之后，護(hù)巷段巷道的返修率減低到10%以下，工作面回采后基本不需要返修下一工作面就能直接利用，達(dá)到安全生產(chǎn)高產(chǎn)高效。大大減小掘進(jìn)工作量，節(jié)省掘進(jìn)開支，為礦井的高效建設(shè)助力。

4? 結(jié)語

無煤柱自成巷110工法沿空留巷技術(shù)在全國范圍內(nèi)已經(jīng)比較成熟，新維煤礦屬于高瓦斯礦井，在保護(hù)層開采時采用沿空切頂留巷（無煤柱）開采工藝是大勢所趨，這項(xiàng)技術(shù)的推廣不僅可以節(jié)約資源，更重要的是從根本上消除了留設(shè)保安煤柱帶來的一系列災(zāi)害隱患，為推動新維煤礦實(shí)現(xiàn)安全高產(chǎn)高效的建設(shè)目標(biāo)做出巨大貢獻(xiàn)。無煤柱自成巷110工法沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用研究，為新維煤礦創(chuàng)造了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，也標(biāo)志著新維煤礦在被保護(hù)層切頂成巷無煤柱開采技術(shù)的應(yīng)用與推廣的道路上邁出了一大步。

針對沿空切頂留巷頂板來壓特征，在各煤層開采中制定相應(yīng)的技術(shù)方案，確保護(hù)巷效果達(dá)到最佳。在2#煤層開采中提出錨桿、恒阻錨索+普通錨索主動支護(hù)及單體支柱加強(qiáng)支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，雙向聚能切頂成線，實(shí)現(xiàn)巖體定向斷裂，采用可變形U型鋼+雙層金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布+噴漿擋矸支護(hù)體系，不僅增加支護(hù)強(qiáng)度也保證了巷道氣密性，針對新維煤礦巖石特性，研究出最佳支護(hù)、爆破技術(shù)體系;3#煤層開采提出錨桿、錨索主動支護(hù)、工字鋼三節(jié)棚被動支護(hù)及單體支柱加強(qiáng)支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，定向施工切頂眼實(shí)現(xiàn)巖體定向斷裂;8#煤層開采提出錨桿、錨索主動支護(hù)及單體支柱加強(qiáng)支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，雙向聚能切頂成線，實(shí)現(xiàn)巖體定向斷裂。針對新維煤礦各開采煤層頂板的巖石特性，研究出最佳支護(hù)、爆破技術(shù)體系，形成新維煤業(yè)公司的沿空護(hù)巷技術(shù)體系。

實(shí)踐證明，以理論研究加現(xiàn)場試點(diǎn)摸索確定的無煤柱自成巷110工法技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)綜采面開采高產(chǎn)高效的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，從根本上防治高突礦井因?yàn)榱粼O(shè)煤柱帶來的瓦斯突出、煤柱發(fā)火自然、應(yīng)力集中引起的下覆巷道難維護(hù)一系列的技術(shù)難題，不僅創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)利益而且為安全開采創(chuàng)造了有利條件。

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