切頂卸壓自動成巷技術在倡源煤業的應用研究

王雙生

（山西介休義棠倡源煤業有限公司，山西 介休032000）

0 引言

無煤柱自成巷技術是一項煤炭工業領域的革命性技術，可以從根本上改變目前“一面兩巷”的傳統開采方式，通過切頂卸壓可以實現“一面一巷”的回采布置，不但能夠減少掘巷掘進工程量，保證礦井的正常采掘部署，而且對于礦井增加資源回收，提高企業經濟效益也有著重要的意義，目前該技術已逐步在全國各類煤礦當中取得成功應用。本文針對倡源煤業9號煤層實際地質條件并結合礦井目前支護情況，提出無煤柱自成巷技術應用具體方案。

1 倡源煤業090701工作面概況

1.1 礦井概況

倡源煤業地處山西省介休市，生產規模0.9 Mt/a，井田面積4.0 787 km2，交通較為方便。采用立井開拓方式，布置有3個井筒，開采9、10、11號煤層，屬于低瓦斯礦井，水文地質類型中等。

1.2 工作面概況

工作面位于井田七采區，南部為南翼七采區回風巷，西部為未采動區，北部、東部為礦界。工作面覆蓋層厚度583～650 m，平均蓋山厚度620 m，地面無建筑物與構筑物。工作面走向長度650 m，工作面長度115.5 m，動用儲量265 778 t，回采儲量252 489 t。

工作面開采9號煤層，煤層厚度2.4～2.6 m，平均2.5 m；煤層傾角0°～25°，平均12°；煤層結構復雜，在中上部夾一層厚度0.05～0.2 m的泥巖；容重1.5 t/m3；煤種屬于焦煤。直接頂巖性為平均厚度2.68 m的致密堅硬石灰巖，直接底巖性為平均厚度4 m的塊狀構造粉砂巖。

根據2條順槽掘進情況，工作面已揭露F701-1、F701-2、F701-3 3條東西向發育的正斷層，落差分別為1.4～2.2、8～17、2.5 m，除F701-2斷層對回采影響程度較大外，其他斷層對回采影響程度均較小。

工作面底板標高范圍為+774～+840 m，奧灰水水位標高約+923.5 m，該工作面屬帶壓開采范疇，煤層底板帶壓約1.5 MPa。經物探、鉆探探測及驗證，工作面范圍內無明顯水害隱患存在，但仍必須在工作面回采過程中加強水文地質觀測，尤其在過構造時要關注異常情況，注意新出現的突水點，維護好排水系統，保障其正常可靠運行。

1.3 原有巷道支護形式

090701工作面2條順槽均為矩形斷面，掘斷面尺寸為4 000 mm×2 600 mm（寬×高），采用錨網索的支護形式，支護參數見圖1。

2 無煤柱自成巷方案設計

090701工作面先期采用原有支護設計進行回采，預留運輸順槽為下一工作面090703工作面使用。本次無煤柱自成巷方案采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護+巷道臨時支護”為主，利用巷道頂板預裂切縫爆破方式，將巷道頂板與回采工作面的應力傳遞局部切斷，以保證預留巷道頂板的整體性和穩定性。利用恒阻大變形錨索對預留巷道圍巖進行補強支護，以發揮巷道頂板自身承載能力進而控制頂板下沉。再根據工作面回采過程當中，預留巷道不同位置所受動壓影響情況的不同制定相應的臨時支護方式。具體方案設計如圖1所示：

圖1 090701工作面運輸順槽巷道斷面支護示意圖

2.1 恒阻大變形錨索設計

恒阻大變形錨索垂直巷道頂板打設，布置2列，第1列距切縫線600 mm，排距1 000 mm；第2列布置于巷道頂板中線，排距2 000 mm。采用規格為φ21.8 mm×9 300 mm的恒阻大變形錨索，恒阻器長度為500 mm，外徑為79 mm，允許的最大變形量為350 mm，恒阻值30±2 t，預緊力≥28 t，配合的托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm，中間擴孔直徑為100 mm±1 mm。切縫側恒阻錨索每3根恒阻錨索使用梯子鋼筋梁進行連接，恒阻錨索支護設計方案如圖2所示，鋼筋梯子梁規格如圖3所示。

圖2 恒阻錨索支護設計

圖3 梯子梁規格圖

2.2 頂板預裂切縫設計

頂板預裂切縫采用雙向聚能爆破預裂技術，利用巖體抗壓怕拉的特性，使巖體可以按照設定方向被拉裂成型。預裂切縫深度可由式（1）進行計算：

式中：HC為采高，單位為m；ΔH1為巷道頂板下沉量，單位為m；ΔH2為巷道底板底臌量，單位為m；k為巷道頂板碎脹系數，范圍為1.3～1.5。

根據090701運輸順槽掘進情況及頂板經驗碎脹系數，取1.4，平均采高取2.5 m，不考慮巷道頂底板變形，代入相關參數計算得出切縫深度為7 m。

切縫孔距巷道上幫設計為100 mm，向回采幫傾斜15°打設，間距500 m。雙向聚能管的外徑、內徑分別為42、36.5 mm，長度為1 500 mm。配合煤礦需用三級乳化炸藥，藥卷規格φ35 mm×300 mm，采用炮泥封孔，根據現場試驗情況及時調整裝藥結構和裝藥量。

2.3 巷道臨時支護設計

在工作面回采過程當中，對預留的090701運輸順槽不同位置的采動影響也有所不同。根據其他礦井無煤柱自成巷技術應用情況并結合倡源煤業以往現場監測數據，如圖4所示將工作面回采過程中預留的090701運輸順槽劃分為3個不同區域。

圖4 090701運輸順槽隨采3個分區示意圖

1）超前支護區（工作面超前20 m范圍內）。2條順槽均使用DW28型單體液壓支柱配合規格為2.7 m的π型梁，按照梁間距1 000 mm，沿巷中、順巷道方向支設2排，前一道與后一道梁端間距不大于300 mm，在頂板來壓較大、頂板破碎等情況下采取加密支護的方式；U型鋼、工字鋼支護段巷道，在U型鋼、工字鋼梁下中間兩側，間距1 m打單體液壓支柱，單體液壓支柱要使用自制防倒繩與巷道頂部鐵絲網或U型鋼、工字鋼、π型梁連接，單體液壓支柱初撐力不小于90 kN。

2）架后臨時支護區（架后0～200 m的范圍）。該區域所受工作面采動影響較大，相應地巷道頂板所受應力也較大。綜合考慮礦井實際情況，采用單體液壓支柱+π型梁+U型鋼+鋼筋網的臨時支護方式。其中，巷道頂板采用單體支柱和π型梁的支護方式，每排布置3個單體，間距、排距均為1 000 mm，初撐力≥90 kN；回采幫采用可縮U型鋼+金屬網+風筒布的擋矸支護，U型鋼布置于切縫位置，間距500 mm，架后巷道臨時支護斷面如圖5所示，回采幫擋矸支護側視圖如6所示。

圖5 超后臨時支護設計斷面圖

圖6 回采幫擋矸支護側視圖

3）成巷穩定區（架后200 m之后）。該區域所受工作面采動影響較小，巷道圍巖活動趨于穩定狀態，此趨于內將用于臨時支護的單體液壓支柱撤出，僅保留U型鋼+金筋網+風筒布的擋矸支護，以防止采空區漏風情況的發生。

3 施工過程設計

090701工作面運輸順槽無煤柱自成巷技術應用的施工過程主要包括以下幾個步驟：

1）恒阻錨索加強支護：根據上述具體方案的設計參數施工恒阻錨索和梯子梁用于加固預留巷道頂板圍巖。

2）頂板預裂切縫施工：在恒阻錨索超前加固巷道20 m以上的條件下，按照上述具體方案的設計參數施工頂板預裂爆破鉆孔，并進行裝藥實施頂板預裂爆破。

3）架后擋矸支護：在工作面回采過程當中，及時在端頭支架前方（后方）進行擋矸支護，按照“一排3柱”的方式進行臨時支護，第1列單體距切縫線600 mm。巷道回采幫側鋪鋼筋網并架設U型鋼，采用木楔將鋼絲網與U型鋼固定牢固，鋼筋網下部要埋入底板，鋼筋網上部要與頂板鋼筋網搭接；單體、U型鋼均安裝柱靴，現場必要時要在頂板增打木楔，以防止其發生滑動。

4）噴漿。在巷道頂板充分垮落并處于穩定后，根據現場需要采用噴漿的方式對垮落不充分位置進行填充，以使整個預留巷道可以滿足下一個工作面的使用需求，并且通過噴漿的方式還可以隔絕采空區，防止自然發火情況的發生。

4 無煤柱自成巷技術應用效果

在無煤柱自成巷應用當中，090701工作面運輸順槽巷道圍巖穩定，可以滿足下一工作面的使用需要。留巷成本約6 000元/m，掘巷成本約7 000元/m，留巷的經濟效益為65萬元。按照原設計留設煤柱寬度20 m，結合目前噸煤價格500元/t進行計算，留巷回收煤炭資源可多創造經濟效益2 437.5萬元。總體上，采用無煤柱自成巷技術，僅090701工作面較不留巷方案可多產生經濟效益2 502.5萬元。

5 結語

倡源煤業090701工作面無煤柱自成巷技術的成功應用，不但能夠減少掘巷掘進工程量，保證礦井的正常采掘部署，而且對于礦井增加資源回收，提高企業經濟效益也有著重要的意義，可推廣應用到該礦井其他工作面當中。此外，無煤柱自成巷技術在帶壓開采大采高工作面的成功應用，對于擴展無煤柱自成巷技術的應用范圍也有積極的理論實踐價值。