高晉輝

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)元甲煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

0 引言

以典型的采用井下預(yù)留煤柱支護(hù)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(nèi)煤體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，含有1-4 層夾矸，夾矸為砂質(zhì)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(zhì)泥巖，平均厚度為4.4 m，老底為細(xì)砂巖，平均厚度為4.1 m。在綜采作業(yè)時(shí)采用了預(yù)留煤柱成巷技術(shù)，作業(yè)過程中需要留設(shè)大量的煤柱，提高巷道的穩(wěn)定性，而且需要多條巷道配合，巷道掘進(jìn)效率低、煤炭回采率低，難以滿足井下高效、高經(jīng)濟(jì)性的綜采需求。

為了滿足井下高效綜采作業(yè)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(shù)，其通過恒阻大錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)、頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)、井下巷道支護(hù)技術(shù)等，能夠在減少井下巷道的掘進(jìn)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)不留設(shè)煤柱的高速綜采作業(yè)。根據(jù)在煤礦井下的應(yīng)用表明，該技術(shù)能夠減少一條3 000 m的巷道掘進(jìn)，可回收煤炭18 萬t/a，具有極大的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)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(qū)側(cè)頂板進(jìn)行定向預(yù)裂爆破，將頂板按設(shè)計(jì)位置切縫，切斷部分頂板巖體的應(yīng)力傳遞，在礦山壓力作用下，頂板沿預(yù)裂切縫垮落形成巷幫，利用原巷道部分空間和支護(hù)自動(dòng)形成新巷道，作為下一個(gè)工作面的回采巷道。

為了實(shí)現(xiàn)以“110 工法”為核心的無煤柱成巷技術(shù)，首先要利用爆破預(yù)裂技術(shù)在巷道頂板上形成一個(gè)預(yù)裂切縫，然后利用恒阻大錨索及相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對巷道頂板的可靠支護(hù)，保證在整個(gè)綜采作業(yè)過程中的安全性，其整個(gè)無煤柱成巷流程包括以下幾個(gè)方面：

1）在綜采面進(jìn)行回采前，在超前巷道內(nèi)進(jìn)行恒阻大錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，同時(shí)需要在巷道的肩角位置開頂眼，設(shè)置爆破藥進(jìn)行頂板預(yù)裂，使頂板能夠及時(shí)卸壓形成一個(gè)穩(wěn)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(dòng)大的位置及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)，減少巷道的變形。同時(shí)需要在巷道位置進(jìn)行擋矸支護(hù)，確保頂板沿著預(yù)裂縫垮落后形成穩(wěn)定的新巷幫；

3）待井下巷道穩(wěn)定后，利用井下門架搬運(yùn)車進(jìn)行整體搬運(yùn)，提高井下轉(zhuǎn)運(yùn)效率和安全性，減小井下作業(yè)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(yè)情況進(jìn)行集中監(jiān)測和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)井下綜采作業(yè)的穩(wěn)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(shù)在實(shí)施過程中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括了恒阻大錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)、頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)、井下巷道支護(hù)技術(shù)三個(gè)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(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

恒阻大錨索是一種新型的錨索結(jié)構(gòu)，其能夠通過較大的初始預(yù)應(yīng)力對井下巷道圍巖進(jìn)行加固，隨著圍巖的受力變形，圍巖內(nèi)的內(nèi)聚應(yīng)力不斷增加，當(dāng)達(dá)到恒阻大錨索的最大工作阻值時(shí)，恒阻大錨索開始通過自身的變形來進(jìn)一步吸收被巷道圍巖釋放出來的應(yīng)力，從而始終維持井下巷道處在一種穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)煤礦井下的地質(zhì)情況，在井下綜采面設(shè)置了3 組錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，第一列錨索之間的距離設(shè)置為1 000 mm，同時(shí)利用W 型鋼帶進(jìn)行連接和加強(qiáng)。第二列錨索需要和第一列錨索進(jìn)行并列布置，第三列錨索則設(shè)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(gè)錨索均需要用1 條CKb2340 型錨固劑與2條z2360 型錨固劑進(jìn)行錨固。幫錨索采用Φ18.9×6 200 mm 的鋼絞線布置兩組，每個(gè)錨索同樣需要用1 條CKb2340 型錨固劑與2 條z2360 型錨固劑進(jìn)行錨固[3]。上側(cè)的幫錨和頂板間的距離為1 200 mm，和煤壁的夾角設(shè)置為45°，錨索之前利用W 鋼帶進(jìn)行加強(qiáng)，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(hù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 井下巷道錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

3 頂板定向預(yù)裂切縫

頂板定向預(yù)裂切縫的目的是對巷道頂板設(shè)置一條人工的預(yù)裂縫，使頂板的垮落能夠可控，從而提升井下綜采作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。結(jié)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(yù)裂切縫孔設(shè)置在巷道輪廓線的肩角位置[4]，井下預(yù)裂切縫的深度設(shè)置為9 000 mm，切縫角度設(shè)置為19°，各個(gè)預(yù)裂切縫孔的間距設(shè)置為500 mm。

在鉆孔時(shí)，采用了直徑為48 mm 的鉆孔鉆進(jìn)，每個(gè)鉆孔內(nèi)設(shè)置5 kg 的爆破藥，裝藥結(jié)構(gòu)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(xù)爆破6 個(gè)孔，提高井下定向預(yù)裂切縫的效率和安全性。井下預(yù)裂切縫布置如圖3 所示。

圖3 井下預(yù)裂切縫孔布置結(jié)構(gòu)

4 井下巷道支護(hù)

由于采用了無煤柱成巷結(jié)構(gòu)，因此對井下巷道穩(wěn)定性要求更高，在進(jìn)行分析后，采用了多種留巷擋矸支護(hù)技術(shù)。擋矸可采用尺寸為1 500 mm 和2 500 mm的U 型鋼利用頂?shù)状罱拥姆绞竭M(jìn)行支護(hù)。擋矸支護(hù)需要超前支架的切頂線1 000 mm，每隔500 mm 布置一個(gè)支架。為了避免在采空區(qū)垮落下來的矸石對U型鋼[6]的沖擊，需要在支架后側(cè)采空區(qū)未垮落區(qū)域利用原木配合擋矸。

為了進(jìn)一步提高擋矸效果，需要在兩側(cè)設(shè)置鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)的短邊和巷道頂板防護(hù)網(wǎng)線連接，搭接的寬度不低于100 mm，從而保證整個(gè)支護(hù)過程中的穩(wěn)定性，井下巷道留巷擋矸支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4 所示[7]。

圖4 井下?lián)蹴分ёo(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

5 應(yīng)用情況分析

目前該新型綜采技術(shù)已經(jīng)得到了穩(wěn)定應(yīng)用，優(yōu)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(shí)際監(jiān)測可知，優(yōu)化后巷道頂板的最大下沉量為246 mm，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)綜采時(shí)巷道376 mm 的變形量。同時(shí)由于采用新技術(shù)，能夠減少一條3 000 m 長度的巷道，有效降低了巷道掘進(jìn)成本，提高了綜采安全性。通過減少煤柱的留設(shè)，多回收煤炭達(dá)到了18 萬t，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

針對煤礦井下預(yù)留煤柱支護(hù)所存在的煤炭回采率低、安全性差的不足，通過綜合運(yùn)行恒阻大錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)、頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)、井下巷道支護(hù)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)井下無煤柱綜合開采。根據(jù)實(shí)際應(yīng)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(shè)置預(yù)裂切縫使頂板沿預(yù)裂切縫垮落形成巷幫，利用原巷道部分空間和支護(hù)自動(dòng)形成新巷道，作為下一個(gè)工作面的回采巷道。

2）無煤柱成巷技術(shù)在實(shí)施過程中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括了恒阻大錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)技術(shù)、頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)、井下巷道支護(hù)技術(shù)三個(gè)方面。

3）該技術(shù)能夠減少一條3 000 m 的巷道掘進(jìn)，可回收煤炭18 萬t/a，具有極大的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性和綜采安全性。