韓立權

(同煤集團云崗礦，山西 大同 037000)

引 言

隨著煤礦井下綜采作業(yè)設備自動化水平的不斷提高，在綜采作業(yè)過程中的巷道掘進速度成為限制煤礦綜采效率和經濟性進一步提高的瓶頸因素。目前成熟的煤礦井下巷道掘進方案，主要是采用先設置一條回采巷道，然后再通過在巷道內預留大量的支護煤柱的開采方案，通過各預留的煤柱在井下巷道形成一個連續(xù)的“傳遞巖梁”。但隨著綜采工藝方法的不斷改進，該巷道掘進方案所存在的巷道掘進量大、煤炭回采率低下、煤柱四周易產生應力集中導致垮落的缺陷日益突出，嚴重地限制了煤礦井下綜采效率的進一步提高[1]。因此，本文結合煤礦井下實踐，提出了一種無煤柱自動成巷掘進技術，該技術方案的核心在于，通過井下巷道頂板的定向切縫技術來人為地將巷道和采空區(qū)處的頂板巷道分離，降低采空區(qū)頂板來壓波動對巷道頂板穩(wěn)定性的影響，同時，通過設置井下切頂護幫支架支護確保巷道頂板的穩(wěn)定性，無需再采用煤柱支護，采用該方案后不僅無需提前設置回采巷道、減少掘進量，提升井下掘進效率，而且提高了煤炭的回采率，加強了巷道頂板在綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，取得了良好的應用效果。

1 井下頂板定向切縫技術

無煤柱自動成巷掘進技術的核心在于通過井下巷道頂板的定向切縫技術來人為地將巷道和采空區(qū)處的頂板巷道分離，降低采空區(qū)頂板來壓波動對巷道頂板穩(wěn)定性的影響，因此，煤礦井下頂板定向切縫直接影響到巷道頂板能否在綜采作業(yè)過程中保持穩(wěn)定性。

傳統的技術方案中，主要是通過在井下巷道的采空區(qū)的一側設置巷道支護體結構的方案來對頂板形成一個強有力的支撐，確保在綜采作業(yè)過程中頂板的穩(wěn)定性，但通過研究可知，在煤礦井下綜采作業(yè)過程中，頂板在來壓作用下會導致不穩(wěn)定區(qū)域的巖層的變動并產生一個較大的采空應力場結構，使不穩(wěn)定區(qū)域的巖層產生垮落，各個垮落區(qū)域相互疊加、咬合，使其形成“砌體梁”結構，砌體梁結構在回轉下沉的過程中連續(xù)地向巷道施壓，使其直接觸底形成一個穩(wěn)定的支護結構。

頂板定向切縫就是根據井下巷道結構的實際情況，在頂板與采空區(qū)交界的位置，開一條切割縫，將巷道的直接頂和基本頂分割開來，降低懸空側的懸臂長度，確保采空區(qū)的外側能夠在頂板礦壓波動下產生垮落，填充在采空區(qū)形成穩(wěn)定的墊層結構，在頂板定向切縫作業(yè)下頂板的垮落結構如第93頁圖1所示[2]。

2 切頂護幫支架支護

煤礦井下綜采作業(yè)過程中，隨著綜采作業(yè)的不斷進行，在頂板礦壓波動下，采空區(qū)域的頂板結構不斷的坍塌，隨著坍塌范圍的不斷增加，煤矸石在運動過程中的穩(wěn)定性逐漸增加，在貼近綜采面的位置，煤矸石則是以連續(xù)的垮落為主[3]，垮落的煤矸石會對擋護結構產生較大的沖擊，在采空區(qū)的位置，垮落的巖層則在礦壓波動下逐漸壓實，對井下煤矸石的擋護結構產生靜態(tài)擠壓作用，最終達到一個穩(wěn)定的平衡狀。針對該井下巖層垮落運動特點，本文提出了一種新型的切頂護幫支架支護方案，用于對井下圍巖結構進行臨時加強支護，在該支架上設置有溢流閥，能夠根據頂板壓力的變化自行調整液壓支架的支護高度，從而確保在整個支護過程中的恒阻力支護，并且在該支架上還設置有伸縮橫梁結構，防止煤矸石擋護結構在靜力作用下產生形變，為井下擋桿提供強大的側向支撐力，確保支護結構的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 頂板定向切縫作用下頂板斷裂結構示意圖

3 無煤柱自動成巷效果分析

在采用無煤柱自動成巷掘進技術后，對該方案下的頂板穩(wěn)定性進行分析，通過對切頂護幫支架支護前、后的頂板下沉量的監(jiān)測[4]，來對無煤柱自動成巷的可靠性進行研究，監(jiān)測結果如圖2所示。

圖2 不同工作面上頂板下沉量的變化曲線

由實際監(jiān)測結果可知，當井下綜采面推進超過150 m～210 m時，巷道頂板的下沉量基本不會再發(fā)生變化，頂板下沉量維持在60 mm左右，說明此時頂板已趨于穩(wěn)定。以150 m為界限，對以后位置處的切頂護幫支架進行回撤作業(yè)，當回撤后巷道頂板的下沉量會逐漸增加，但最終會維持在69 mm左右，在實際應用過程中為了確保在某些特殊情況下巷道頂板的穩(wěn)定性，采取每隔15 m處預留一個支架，待綜采面回采完成后統一撤架，從而確保在井下綜采作業(yè)過程中的安全性。

在實際驗證中，以井下綜采面1 000 m計算，井下改造費用約為780萬元，改造后掘進成本由改造前的3 900元/m，降低到了2 100元/m，綜采作業(yè)過程中多回收煤炭約為10.67萬t，根據市場價340元/t計算，共獲得3 626.3萬元，總共節(jié)約成本3 026.3萬元，巷道的掘進時間比優(yōu)化前縮短了約1/3，具有十分明顯的經濟效益，且綜采作業(yè)后的巷道穩(wěn)定性有了顯著的提升。

4 結論

針對煤礦井下有煤柱作業(yè)在實際應用過程中所存在的巷道掘進量大、煤炭回采率低下、煤柱四周易產生應力集中導致垮落的缺陷，本文在理論研究的基礎上，結合煤礦井下實際地質條件，提出了一種新型的無煤柱自動成巷掘進技術，該技術方案的核心在于，通過井下巷道頂板的定向切縫技術來人為地將巷道和采空區(qū)處的頂板巷道分離，降低采空區(qū)頂板來壓波動對巷道頂板穩(wěn)定性的影響，同時，通過設置井下切頂護幫支架支護確保巷道頂板的穩(wěn)定性，無需再采用煤柱支護。根據實際應用表明：

1) 頂板定向切縫是在頂板與采空區(qū)交界的位置開一條切割縫，將巷道的直接頂和基本頂分割開來，確保采空區(qū)的外側能夠在頂板礦壓波動下產生垮落，填充在采空區(qū)形成穩(wěn)定的墊層結構。

2) 切頂護幫支架支護能夠確保在整個支護過程中的恒阻力，且在該支架上還設置有伸縮橫梁結構，防止煤矸石擋護結構在靜力作用下產生形變，為井下擋矸結構提供強大的側向支撐力，確保支護結構的穩(wěn)定性和可靠性；

3) 無煤柱自動成巷掘進技術，能夠顯著提升煤礦井下綜采作業(yè)的經濟性，且能夠將巷道掘進時間縮短1/3，無需在井下進行回采巷道的提前掘進，提升了井下綜采作業(yè)安全和回采率，具有極大的應用推廣價值。