煤礦井下切頂卸壓無煤柱綜合開采技術的應用研究

高晉輝

（山西鄉寧焦煤集團元甲煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

以典型的采用井下預留煤柱支護開采的煤礦為例，其井下綜采面煤層的平均厚度為3.7 m，煤層的平均傾角為2.7°，工作面范圍內煤體結構較穩定，含有1-4 層夾矸，夾矸為砂質泥巖，夾矸總厚度為0.2～0.45 m，均厚0.3 m。巷道的老頂為中砂巖，平均厚度為7.2 m，巷道的直接頂為泥巖，平均厚度為1.7 m，巷道直接頂為砂質泥巖，平均厚度為4.4 m，老底為細砂巖，平均厚度為4.1 m。在綜采作業時采用了預留煤柱成巷技術，作業過程中需要留設大量的煤柱，提高巷道的穩定性，而且需要多條巷道配合，巷道掘進效率低、煤炭回采率低，難以滿足井下高效、高經濟性的綜采需求。

為了滿足井下高效綜采作業的需求，提出了一種基于“110 工法”的井下切頂卸壓無煤柱綜采技術，其通過恒阻大錨索補強支護技術、頂板定向預裂切縫技術、井下巷道支護技術等，能夠在減少井下巷道的掘進量的基礎上實現不留設煤柱的高速綜采作業。根據在煤礦井下的應用表明，該技術能夠減少一條3 000 m的巷道掘進，可回收煤炭18 萬t/a，具有極大的應用經濟性和綜采安全性。

1 無煤柱成巷原理

切頂卸壓無煤柱綜合開采的核心是“110 工法”[1]，在回采巷道將要形成的采空區側頂板進行定向預裂爆破，將頂板按設計位置切縫，切斷部分頂板巖體的應力傳遞，在礦山壓力作用下，頂板沿預裂切縫垮落形成巷幫，利用原巷道部分空間和支護自動形成新巷道，作為下一個工作面的回采巷道。

為了實現以“110 工法”為核心的無煤柱成巷技術，首先要利用爆破預裂技術在巷道頂板上形成一個預裂切縫，然后利用恒阻大錨索及相應的支護技術實現對巷道頂板的可靠支護，保證在整個綜采作業過程中的安全性，其整個無煤柱成巷流程包括以下幾個方面：

1）在綜采面進行回采前，在超前巷道內進行恒阻大錨索補強支護，同時需要在巷道的肩角位置開頂眼，設置爆破藥進行頂板預裂，使頂板能夠及時卸壓形成一個穩定的短臂梁，減小巷道頂板的壓力；

2）在綜采過以后，在礦壓波動大的位置及時進行相應的支護，減少巷道的變形。同時需要在巷道位置進行擋矸支護，確保頂板沿著預裂縫垮落后形成穩定的新巷幫；

3）待井下巷道穩定后，利用井下門架搬運車進行整體搬運，提高井下轉運效率和安全性，減小井下作業人員的工作量；

4）在井下完成門式支架回撤以后，需要對井下空氣情況和綜采作業情況進行集中監測和預警，實現井下綜采作業的穩定性和安全性。

由分析可知，以“110 工法”為核心的無煤柱成巷技術在實施過程中的關鍵技術主要包括了恒阻大錨索補強支護技術、頂板定向預裂切縫技術、井下巷道支護技術三個方面，如圖1 所示[2]。

圖1 110 工法核心工藝分析

2 恒阻大錨索補強支護

恒阻大錨索是一種新型的錨索結構，其能夠通過較大的初始預應力對井下巷道圍巖進行加固，隨著圍巖的受力變形，圍巖內的內聚應力不斷增加，當達到恒阻大錨索的最大工作阻值時，恒阻大錨索開始通過自身的變形來進一步吸收被巷道圍巖釋放出來的應力，從而始終維持井下巷道處在一種穩定狀態。

根據煤礦井下的地質情況，在井下綜采面設置了3 組錨索進行加強支護，第一列錨索之間的距離設置為1 000 mm，同時利用W 型鋼帶進行連接和加強。第二列錨索需要和第一列錨索進行并列布置，第三列錨索則設置到井下巷道的中間位置，避免巷道頂板中間位置的變形。

巷道的頂錨索采用直徑為21.8 mm 的鋼絞線錨索，各個錨索均需要用1 條CKb2340 型錨固劑與2條z2360 型錨固劑進行錨固。幫錨索采用Φ18.9×6 200 mm 的鋼絞線布置兩組，每個錨索同樣需要用1 條CKb2340 型錨固劑與2 條z2360 型錨固劑進行錨固[3]。上側的幫錨和頂板間的距離為1 200 mm，和煤壁的夾角設置為45°，錨索之前利用W 鋼帶進行加強，下排幫錨索與第一排錨索插花布置，距頂2.2 m，與煤壁夾角為30°，井下支護結構如圖2 所示。

圖2 井下巷道錨索補強支護結構示意圖（單位：mm）

3 頂板定向預裂切縫

頂板定向預裂切縫的目的是對巷道頂板設置一條人工的預裂縫，使頂板的垮落能夠可控，從而提升井下綜采作業的安全性和穩定性。結合井下巷道頂板的情況，為了有效的提升留巷寬度，因此將預裂切縫孔設置在巷道輪廓線的肩角位置[4]，井下預裂切縫的深度設置為9 000 mm，切縫角度設置為19°，各個預裂切縫孔的間距設置為500 mm。

在鉆孔時，采用了直徑為48 mm 的鉆孔鉆進，每個鉆孔內設置5 kg 的爆破藥，裝藥結構采用了3-22-3-2 裝藥模式，封孔采用了水泥替代，封孔的長度不低于1 500 mm。由于巷道頂板具有一定的破碎性，因此采用了兩種不相鄰段位的電雷管爆破[5]，一次連續爆破6 個孔，提高井下定向預裂切縫的效率和安全性。井下預裂切縫布置如圖3 所示。

圖3 井下預裂切縫孔布置結構

4 井下巷道支護

由于采用了無煤柱成巷結構，因此對井下巷道穩定性要求更高，在進行分析后，采用了多種留巷擋矸支護技術。擋矸可采用尺寸為1 500 mm 和2 500 mm的U 型鋼利用頂底搭接的方式進行支護。擋矸支護需要超前支架的切頂線1 000 mm，每隔500 mm 布置一個支架。為了避免在采空區垮落下來的矸石對U型鋼[6]的沖擊，需要在支架后側采空區未垮落區域利用原木配合擋矸。

為了進一步提高擋矸效果，需要在兩側設置鋼筋網，鋼筋網的短邊和巷道頂板防護網線連接，搭接的寬度不低于100 mm，從而保證整個支護過程中的穩定性，井下巷道留巷擋矸支護結構如圖4 所示[7]。

圖4 井下擋矸支護結構示意圖

5 應用情況分析

目前該新型綜采技術已經得到了穩定應用，優化前后巷道頂板位移量變化情況，如圖5 所示。

圖5 井下巷道頂板位移變化情況示意圖

由實際監測可知，優化后巷道頂板的最大下沉量為246 mm，遠低于傳統綜采時巷道376 mm 的變形量。同時由于采用新技術，能夠減少一條3 000 m 長度的巷道，有效降低了巷道掘進成本，提高了綜采安全性。通過減少煤柱的留設，多回收煤炭達到了18 萬t，具有顯著的經濟效益。

6 結論

針對煤礦井下預留煤柱支護所存在的煤炭回采率低、安全性差的不足，通過綜合運行恒阻大錨索補強支護技術、頂板定向預裂切縫技術、井下巷道支護技術等，實現井下無煤柱綜合開采。根據實際應用表明：

1）切頂卸壓無煤柱綜合開采的核心是“110 工法”，通過設置預裂切縫使頂板沿預裂切縫垮落形成巷幫，利用原巷道部分空間和支護自動形成新巷道，作為下一個工作面的回采巷道。

2）無煤柱成巷技術在實施過程中的關鍵技術主要包括了恒阻大錨索補強支護技術、頂板定向預裂切縫技術、井下巷道支護技術三個方面。

3）該技術能夠減少一條3 000 m 的巷道掘進，可回收煤炭18 萬t/a，具有極大的應用經濟性和綜采安全性。