煤礦井下自動成巷無煤柱開采技術的應用分析

喬 勇

（內蒙古白音華海州露天煤礦有限公司，內蒙古 錫林郭勒 026200）

內蒙古西烏珠穆沁旗白音華鎮四號礦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°。基本頂為細砂巖結構，均厚11.6 m；直接頂為泥砂巖和粉砂巖的混合結構，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大量的煤柱，容易產生應力集中，導致支護結構失效，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，作為后續綜采面的回采巷。

在巷道內進行適當調整，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，巷道頂板切縫外側的部分會在綜采擾動和礦壓下自行垮落，在支架后側形成一個穩定的碎石幫。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的碎石幫支撐，與另一側煤壁共同形成支撐結構，保證巷道在綜采作業過程中的穩定性。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工藝流程分析，巷道頂底板和實體煤側的弧形巷幫是由采煤機截割而成的，碎石幫側則是由頂板垮落后的碎石堆積而形成的。因此在綜采作業過程中需要重點對巷道頂板和碎石幫的穩定性進行研究。

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

2 無煤柱開采關鍵參數確定

根據煤礦井下自動成巷無煤柱開采理論，設計了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”型通風結構。綜采面的巷道布局結構如圖2。

圖2 綜采面巷道布局結構示意圖（m）

3 頂板定向切縫設計

根據對綜采面地質情況的分析，采空區頂板巖層在垮落以后的碎脹系數為1.4，井下綜采面區域的底鼓量和頂板下沉量總計400 mm，因此結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。綜合計算可得，該綜采面的切頂高度應為9300 mm。根據井下巷道的地質情況，考慮施工的便捷性和經濟性，結合施工經驗，將切頂高度定為9000 mm，頂板預裂切縫的角度設置為10°。

在制定爆破方案時，根據試驗驗證情況，選擇了“5+4+3+3+2”的爆破裝藥結構[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。井下爆破后的結構如圖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計

綜采面巷道頂板的巖層平均單位重量為25.9 kN/m3，根據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，根據對恒阻錨索結構參數分析，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井下的實際情況選擇。

在錨索設置時，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置為1.5 m，排距設置為2.5 m，其支護密度設置為0.7 根/m2。在各個錨索的縱向，需要設置專門的W 型鋼帶[5]進行加強，滿足支護。其支護結構如圖4。

圖4 巷道頂板恒阻錨索支護結構示意圖（mm）

5 巷道頂板的臨時支護

在采空區側設置液壓支架，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備為額定工作阻力40.8 MPa 的護幫支架，支架設置在實體煤幫位置，間隔為2400 mm，同步在支架和支柱的頂部分別設置“π”形狀的型鋼[6]，提高支護穩定性。

6 碎石幫的穩定性支護

為了保證碎石幫支護穩定性，提出了“側方位動靜結合、縱方向伸縮讓壓結合”的控制方案，利用鋼筋網、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一側，外圍再依次布置鋼筋網、護幫支架。考慮到井下支護物料轉運的便捷性，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的支架和護幫板上，減少對支護結構的沖擊，護幫支架的上側和下側分別沿著巷道軸向設置一個長為2400 mm 的可伸縮橫梁，利用千斤頂將其側推到可伸縮U 型鋼上，從而構成一個完整而穩固的碎石幫側向支護結構。根據實際應用分析，當支架前移以后，在采空區一側的頂板能夠快速向采空區垮落，通常滯后支架后側約3 m 的距離。

7 應用情況

目前自動成巷無煤柱開采技術已經在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。回撤后巷道頂板的變形量進一步增大，當距離達到約250 m 時，巷道頂板的變形量開始趨于穩定并保持在68 m。與優化前的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后，減少了巷道掘進量，整體節約巷道掘進成本1500 萬，多回收煤炭約19 萬t，按每噸345 元計算，年增加經濟效益約為6555 萬元，極大提升了煤礦綜采作業的效率和經濟性。

8 結論

1）巷道頂板和碎石幫的穩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定性控制方案及“側方位動靜結合、縱方向伸縮讓壓結合”的巷幫控制方案能夠顯著提升留巷的穩定性；

3）該項目在白音華鎮四號礦應用以來，能夠將巷道頂板下沉量降低76.3%，節約巷道掘進成本，經濟效益顯著。