高登云，李瑞群

(國家能源集團(tuán) 神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

無煤柱開采技術(shù)在英國、加拿大、南非和我國的開展和應(yīng)用都比較早，積累了豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，也取得了較好的開采效果。采用無煤柱開采技術(shù)資源回收率高、巷道掘進(jìn)率低，并且有利于保證礦井的采掘接續(xù)和安全回采。但同時(shí)也存在諸多技術(shù)難題需要不斷創(chuàng)新解決，比如采用傳統(tǒng)的沿空留巷施工效率較低，充填材料及設(shè)備成本較高，這些都制約了無煤柱開采技術(shù)的發(fā)展。無煤柱開采技術(shù)在神東礦區(qū)的推廣應(yīng)用相對較晚，神東礦區(qū)以往布置綜采工作面時(shí)通常要留設(shè)寬度為12～20m的區(qū)段煤柱，采用這種布置方式盡管有利于礦井的高產(chǎn)高效，但也在一定程度上造成了資源的浪費(fèi)，神東礦區(qū)每年因煤柱損失的煤量高達(dá)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(jìn)工程量和掘進(jìn)隊(duì)伍數(shù)量，不利于礦井的采掘接續(xù)；工作面回采完畢后區(qū)段煤柱進(jìn)入采空區(qū)帶來了自然發(fā)火的安全隱患；近距離煤層群開采條件下，上分層留設(shè)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(shè)區(qū)段煤柱導(dǎo)致的問題，神東煤炭集團(tuán)近幾年大力推動(dòng)無煤柱開采技術(shù)的探索創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，積極研究探索沿空留巷、沿空掘巷和充填開采技術(shù)并取得了突破，創(chuàng)新采用了柔?；炷潦┕すに嚭颓许斝秹菏┕すに嚨妊乜樟粝锕に?，研發(fā)了沿空留巷液壓支架、內(nèi)嵌式錨索、恒阻錨索等關(guān)鍵創(chuàng)新設(shè)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(shù)方法進(jìn)行了改進(jìn)[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(shù)

無煤柱開采技術(shù)就是取消回采工作面區(qū)段煤柱的留設(shè)，采用其他方式來維護(hù)巷道，實(shí)現(xiàn)工作面安全高效回采的開采技術(shù)。目前神東礦區(qū)推廣應(yīng)用的無煤柱開采技術(shù)主要包含沿空留巷技術(shù)、沿空掘巷技術(shù)和充填開采技術(shù)。

1)沿空留巷就是沿回采工作面采空區(qū)邊緣，采取技術(shù)措施維護(hù)上一回采工作面原來的巷道，并將該條巷道繼續(xù)作為下一個(gè)工作面的區(qū)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(dòng)成巷工藝。柔?；炷裂乜樟粝锇凑論蹴饭に嚨牟煌挚煞譃槿斯つ军c(diǎn)柱沿空留巷工藝和擋矸液壓支架機(jī)械化沿空留巷工藝[5]。

2)沿空掘巷是沿工作面采空區(qū)邊緣新掘一條巷道，新掘進(jìn)的巷道作為下一個(gè)工作面的區(qū)段平巷使用，神東礦區(qū)主要實(shí)施了柔模混凝土沿空掘巷技術(shù)。

3)充填開采是指利用充填料充填采空區(qū)實(shí)現(xiàn)無煤柱開采的技術(shù)，神東礦區(qū)主要實(shí)施了條帶式充填開采技術(shù)。

2 柔?；炷裂乜樟粝?/h2>

柔模混凝土沿空留巷工藝是在采空區(qū)邊緣利用木點(diǎn)柱或擋矸支架配合金屬網(wǎng)實(shí)現(xiàn)擋矸，在采空區(qū)邊緣構(gòu)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?；炷裂乜樟粝锛夹g(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 工作面巷道布置及通風(fēng)系統(tǒng)

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(jìn)長度656m；12上308-2面長度280.5m，推進(jìn)長度944m，實(shí)施留巷的運(yùn)輸巷寬度5.4m，高度3.6m。

柔模混凝土沿空留巷技術(shù)，首先在該工作面回采前，要提前掘進(jìn)完成下一個(gè)工作面回采巷道，使兩個(gè)工作面形成“Y”型通風(fēng)，留巷所需的施工材料通過備用工作面巷道進(jìn)行運(yùn)送，12上308沿空留巷工作面巷道布置及通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 12上308沿空留巷工作面巷道布置及通風(fēng)系統(tǒng)

2.2 擋矸工藝

在施工柔?；炷翂η笆紫纫鉀Q隔擋上一回采工作面采空區(qū)矸石的技術(shù)難題，神東礦區(qū)先后采用了木點(diǎn)柱擋矸和機(jī)械化擋矸兩種工藝實(shí)施混凝土沿空留巷[7]。

1)木點(diǎn)柱擋矸工藝。木點(diǎn)柱擋矸工藝就是采用木點(diǎn)柱在采空區(qū)側(cè)進(jìn)行擋矸，木點(diǎn)柱的排距為0.8m，回采時(shí)在端頭架前鋪設(shè)金屬網(wǎng)，拉架后自動(dòng)與木支柱接觸成擋矸網(wǎng)。木點(diǎn)柱擋矸工藝具有取材容易、一次性投入少的優(yōu)點(diǎn)，但是支護(hù)強(qiáng)度低，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，留巷速度慢，無法滿足安全高效和厚煤層留巷生產(chǎn)的需要[8-10]。

2)機(jī)械化擋矸。為了解決木點(diǎn)柱擋矸存在的不足，神東煤炭集團(tuán)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(guān)鍵技術(shù)研究”和“沿空留巷成套設(shè)備研發(fā)”，成功研制了“鋪網(wǎng)端頭支架+擋矸支架”的機(jī)械化擋矸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)擋矸支護(hù)、自主移架、隔離作業(yè)空間和自動(dòng)架設(shè)模板的機(jī)械化作業(yè)，機(jī)械化擋矸支架布置如圖2所示，ZRL79200/25/40D型擋矸支架技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZRL79200/25/40D型擋矸支架技術(shù)參數(shù)

圖2 機(jī)械化擋矸支架布置

2.3 架模工藝

柔?；炷裂乜樟粝锏拿總€(gè)柔模的長度為3m，寬度1.2m，掛模時(shí)用單體頂端卡爪或者擋矸支架的柔模架設(shè)機(jī)構(gòu)將柔模翼緣固定在頂板指定位置，采用單體掛模時(shí)排距為0.8m。每個(gè)柔模安裝8根螺紋鋼錨栓以增加混凝土墻的抗壓強(qiáng)度，錨栓排距1m，間距0.8m，單個(gè)柔模的結(jié)構(gòu)如圖3所示，施工的混凝土墻尺寸誤差小于3%，抗拉強(qiáng)度不小于50kN/m，布縫接強(qiáng)度不小于25kN/m。

圖3 柔?；炷翂蝹€(gè)柔模結(jié)構(gòu)(mm)

2.4 快速泵柱施工混凝土墻

柔模支設(shè)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?yàn)楸盟突炷林苽?、罐車運(yùn)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(shù)參數(shù)見表2。

表2 混凝土泵技術(shù)參數(shù)

2.5 尾巷支護(hù)形式

在沿空留巷過程中，為防止回采過程中礦壓對預(yù)留巷道和柔?；炷猎斐善茐?，留巷巷道采用“一梁三柱”的架棚支護(hù)方式，支護(hù)單體排距1m，尾巷支護(hù)段的長度為150m。

2.6 內(nèi)嵌式錨索裝置

由于沿空留巷區(qū)域的頂錨索會(huì)被端頭液壓支架擠壓破壞，從而導(dǎo)致錨索失效，頂板支護(hù)無法保證，為了解決這一難題，神東煤炭集團(tuán)通過技術(shù)攻關(guān)研制了內(nèi)嵌式錨索，錨索鎖具嵌入在頂板內(nèi)，成功解決了端頭液壓支架破壞頂錨索的技術(shù)難題。

3 切頂沿空留巷技術(shù)

切頂沿空留巷技術(shù)首先采用恒阻錨索對巷道頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，回采前對巷道正幫側(cè)的頂板進(jìn)行定向預(yù)裂，待工作面推過后，在礦壓作用下頂板沿預(yù)裂切縫自動(dòng)切落形成巷幫完成留巷。下面以神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦12201綜采工作面為例，對切頂沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

3.1 巷道布置

12201綜采工作面長度320m，推進(jìn)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(jù)與相鄰工作面布置的位置關(guān)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(shí)施沿空留巷前同樣把留巷側(cè)的12202工作面掘進(jìn)完成，為沿空留巷作業(yè)的通風(fēng)和運(yùn)輸服務(wù)。

圖4 12201綜采工作面沿空留巷位置

3.2 施工恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

恒阻錨索采用NPR材料技術(shù)，該材料的泊松比為10-2量級(jí)，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(fā)揮了支護(hù)效果。切頂沿空留巷的巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)是在原支護(hù)基礎(chǔ)上，距正幫500mm采取“恒阻錨索+W鋼帶”補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，恒阻錨索規(guī)格為?22mm×8000mm，排距2m，恒阻力達(dá)到196kN，錨索延伸量達(dá)到0.3～1m，恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式如圖5所示。

圖5 恒阻錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式(mm)

3.3 頂板預(yù)裂切縫

對頂板采取預(yù)裂切縫是切頂沿空留巷的關(guān)鍵，使頂板按照設(shè)定方向和深度拉張斷裂形成人工預(yù)裂面，工作面推采后，在礦壓作用下，使頂板按預(yù)裂面切落，既能主動(dòng)切頂又不破壞頂板[11-14]。通過研究選用“3-2-0-1”裝藥結(jié)構(gòu)，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(shí)實(shí)施預(yù)裂爆破。

3.4 擋矸工藝

回采期間，架前鋪網(wǎng)，緊跟端頭支架，在采空區(qū)側(cè)采用“單體液壓支柱+11#工字鋼+鋼筋網(wǎng)片”進(jìn)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(wǎng)與工字鋼用鐵絲綁扎在一起，鋼筋網(wǎng)片壓茬100mm，同樣用鐵絲捆扎[15-17]。

3.5 留巷段巷道加強(qiáng)支護(hù)

對留巷段100m范圍進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，其中端頭支架后0～15m范圍內(nèi)，沿巷道軸向的單體液壓支柱間使用長2.4m的花邊梁架設(shè)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(shè)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(fù)使用。工作面留巷段支護(hù)方式如圖6所示。

圖6 工作面留巷段支護(hù)方式(mm)

3.6 噴漿封閉采空區(qū)

待留巷段頂板穩(wěn)定后，滯后工作面130m，對留巷段進(jìn)行修整、噴混凝土，確保與采空區(qū)完全隔離封閉，噴混凝土厚度100mm，強(qiáng)度為C20。

4 沿空掘巷技術(shù)

在研究和推廣沿空留巷技術(shù)的同時(shí)，神東煤炭集團(tuán)也在積極探索沿空掘巷技術(shù)，該工藝首先在榆家梁煤礦52401工作面應(yīng)用，工作面回采過程中在工作面巷道負(fù)幫施工柔?；炷翐鯄Γぷ髅婊夭赏戤呿敯蹇迓浞€(wěn)定后，再沿混凝土擋墻掘進(jìn)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?；炷翂κ┕すに?/h3>

52401運(yùn)輸巷原始寬度5.5m，高度3.4m，巷旁柔?；炷翂穸?m，高度3.4m，混凝土強(qiáng)度為C30。為提高混凝土強(qiáng)度，在柔性模板上預(yù)留錨栓孔，錨栓為螺紋鋼錨桿，間排距為1000mm×750mm。

柔?；炷翂Φ氖┕すば?yàn)椋焊闪线\(yùn)輸→掛柔模、上錨栓→泵注混凝土→強(qiáng)度監(jiān)測，然后執(zhí)行下一循環(huán)，詳細(xì)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(jìn)工藝

當(dāng)52401綜采工作面回采結(jié)束3個(gè)月后，待上覆頂板穩(wěn)定后開始沿空掘進(jìn)52402軌道巷，巷道寬度4.5m，高3.4m，掘進(jìn)工藝與常規(guī)的掘進(jìn)工藝基本相同，主要區(qū)別是做好掘進(jìn)期間柔模擋墻的保護(hù)工作，主要包括以下方面：

1)巷道掘進(jìn)過程中在沿空測留設(shè)200mm厚度的保護(hù)煤皮，以保護(hù)掘進(jìn)機(jī)滾筒割不到混凝土墻。

2)利用滾筒對留設(shè)的200mm厚度的煤皮進(jìn)行二次處理，處理煤皮時(shí)嚴(yán)禁掘進(jìn)機(jī)割碰混凝土墻及其附屬設(shè)施。

3)如果使用掘進(jìn)機(jī)無法處理干凈遺留少量煤皮時(shí)，采取人工方法進(jìn)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(shí)進(jìn)行水泥灰塞縫抹面，確保頂部填充密實(shí)。

5 無煤柱開采技術(shù)在神東礦區(qū)的應(yīng)用情況

目前神東礦區(qū)已經(jīng)在4個(gè)礦10個(gè)工作面實(shí)施了無煤柱開采技術(shù)，累計(jì)沿空留巷13131m，具體見表3。3.8m厚煤層工作面留巷速度達(dá)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(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益23400萬元，下一步將繼續(xù)加大無煤柱開采技術(shù)的推廣力度。

表3 神東無煤柱開采技術(shù)應(yīng)用情況

6 結(jié) 論

1)通過采用機(jī)械化擋矸、快速泵柱和施工內(nèi)嵌式錨索等關(guān)鍵技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了柔?；炷量焖傺乜樟粝铮?.8m厚煤層工作面留巷速度達(dá)到15m/d。

2)通過采用施工恒阻錨索、頂板預(yù)裂切縫等關(guān)鍵工藝，實(shí)現(xiàn)了切頂卸壓沿空留巷的成功應(yīng)用。

3)神東礦區(qū)應(yīng)用無煤柱開采技術(shù)資源回收率提高了6%～7%。