神東礦區無煤柱開采關鍵技術及應用研究

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，積累了豐富的技術經驗，也取得了較好的開采效果。采用無煤柱開采技術資源回收率高、巷道掘進率低，并且有利于保證礦井的采掘接續和安全回采。但同時也存在諸多技術難題需要不斷創新解決，比如采用傳統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的發展。無煤柱開采技術在神東礦區的推廣應用相對較晚，神東礦區以往布置綜采工作面時通常要留設寬度為12～20m的區段煤柱，采用這種布置方式盡管有利于礦井的高產高效，但也在一定程度上造成了資源的浪費，神東礦區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量，不利于礦井的采掘接續；工作面回采完畢后區段煤柱進入采空區帶來了自然發火的安全隱患；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的探索創新和推廣應用，積極研究探索沿空留巷、沿空掘巷和充填開采技術并取得了突破，創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，研發了沿空留巷液壓支架、內嵌式錨索、恒阻錨索等關鍵創新設備，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

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

1)沿空留巷就是沿回采工作面采空區邊緣，采取技術措施維護上一回采工作面原來的巷道，并將該條巷道繼續作為下一個工作面的區段平巷使用。按照留巷工藝的不同可分為柔模混凝土沿空留巷工藝和切頂卸壓自動成巷工藝。柔模混凝土沿空留巷按照擋矸工藝的不同又可分為人工木點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邊緣新掘一條巷道，新掘進的巷道作為下一個工作面的區段平巷使用，神東礦區主要實施了柔模混凝土沿空掘巷技術。

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

2 柔模混凝土沿空留巷

柔模混凝土沿空留巷工藝是在采空區邊緣利用木點柱或擋矸支架配合金屬網實現擋矸，在采空區邊緣構筑起柔模，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工作面為例對柔模混凝土沿空留巷技術進行介紹。

2.1 工作面巷道布置及通風系統

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。

柔模混凝土沿空留巷技術，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

2.2 擋矸工藝

在施工柔模混凝土墻前首先要解決隔擋上一回采工作面采空區矸石的技術難題，神東礦區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側進行擋矸，木點柱的排距為0.8m，回采時在端頭架前鋪設金屬網，拉架后自動與木支柱接觸成擋矸網。木點柱擋矸工藝具有取材容易、一次性投入少的優點，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鍵技術研究”和“沿空留巷成套設備研發”，成功研制了“鋪網端頭支架+擋矸支架”的機械化擋矸設備，實現了采空區擋矸支護、自主移架、隔離作業空間和自動架設模板的機械化作業，機械化擋矸支架布置如圖2所示，ZRL79200/25/40D型擋矸支架技術參數見表1。

表1 ZRL79200/25/40D型擋矸支架技術參數

圖2 機械化擋矸支架布置

2.3 架模工藝

柔模混凝土沿空留巷的每個柔模的長度為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，單個柔模的結構如圖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 柔模混凝土墻單個柔模結構(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，混凝土泵技術參數見表2。

表2 混凝土泵技術參數

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模混凝土造成破壞，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 內嵌式錨索裝置

由于沿空留巷區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攻關研制了內嵌式錨索，錨索鎖具嵌入在頂板內，成功解決了端頭液壓支架破壞頂錨索的技術難題。

3 切頂沿空留巷技術

切頂沿空留巷技術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，對切頂沿空留巷關鍵技術進行介紹。

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。根據與相鄰工作面布置的位置關系，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的12202工作面掘進完成，為沿空留巷作業的通風和運輸服務。

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，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”裝藥結構，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，緊跟端頭支架，在采空區側采用“單體液壓支柱+11#工字鋼+鋼筋網片”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，鋼筋網與工字鋼用鐵絲綁扎在一起，鋼筋網片壓茬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，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

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

4 沿空掘巷技術

在研究和推廣沿空留巷技術的同時，神東煤炭集團也在積極探索沿空掘巷技術，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模混凝土擋墻，待工作面回采完畢頂板垮落穩定后，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，巷旁柔模混凝土墻厚度1m，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→強度監測，然后執行下一循環，詳細的施工工藝和前述柔模混凝土沿空留巷相似。

4.2 巷道掘進工藝

當52401綜采工作面回采結束3個月后，待上覆頂板穩定后開始沿空掘進52402軌道巷，巷道寬度4.5m，高3.4m，掘進工藝與常規的掘進工藝基本相同，主要區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 無煤柱開采技術在神東礦區的應用情況

目前神東礦區已經在4個礦10個工作面實施了無煤柱開采技術，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，累計實現經濟效益23400萬元，下一步將繼續加大無煤柱開采技術的推廣力度。

表3 神東無煤柱開采技術應用情況

6 結 論

1)通過采用機械化擋矸、快速泵柱和施工內嵌式錨索等關鍵技術，成功實現了柔模混凝土快速沿空留巷，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、頂板預裂切縫等關鍵工藝，實現了切頂卸壓沿空留巷的成功應用。

3)神東礦區應用無煤柱開采技術資源回收率提高了6%～7%。