矿井无煤柱开采技术的设计与应用

李亚运

（山西煤炭运销集团金塬达煤业有限公司，山西临汾 041000）

0 引言

随着我国煤矿开采工作深入开展，任务量不断增加，开采过程中存在的问题也日益彰显出来，其中开采技术的问题导致了资源的大量浪费，煤柱留设的问题造成了一定的风险，因此无煤柱开采技术应运而生。随着该技术的深入应用，煤炭资源的回采率得到了极大提升，同时有效避免了风险问题。作为一种环保、高效、安全的开采技术，近年来无煤柱开采技术受到了各个行业的重视[1]。

1 切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术

1.1 技术原理

切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术的原理就是针对巷道内部接近工作面的顶板，通过运用双向聚能拉伸爆破技术来实施预裂爆破，充分把握并运用岩石的特征，改善顶板受力的状态，从而形成一个全新的结构弱面，促使顶板可以基于原始的高度来垮落成巷帮，进而与相应的巷旁支护技术相结合，增强巷道的稳定性，以达到卸压的目的。通过运用无煤柱开采技术所形成的巷道，不仅可以阻绝相应的毒害气体，而且可以提升循环使用率，极大降低了开采工作的成本[2]。

1.2 巷道顶板的控制技术

在运用无煤柱开采技术的过程中，不仅要依靠于双向聚能拉伸爆破技术，而且需要充分运用控制技术来增强巷道的可靠性，如果不采取有效措施及时控制顶板，就会导致离层出现沉降问题，最终将会产生巷道变形，进而导致巷道的危险性不断扩大。在巷道不能正常使用时，可以运用恒阻大变形锚索来避免顶板变形问题的产生。

巷道顶板的控制技术的工作原理是处于顶层变形的前期阶段，就需要运用恒阻大变形索来进行施工，利用锚索自身所具有的预应水平来加固四周的塑性，从而确保了巷道围岩的稳定性，并且不管是中期或是后期，恒阻大变形锚索的性能可以为巷道进行有效的支护[3]。

1.3 技术特点

与开采的传统模式及技术相比，切顶卸压无煤柱开采技术可以通过转变顶板受力的状态，减少开采工作所需的成本，提高回采率，从而彻底清除隐患问题。在运用无煤柱开采技术的过程中，最关键的技术就是双向爆破技术，充分运用该技术来定向截割煤层，促使顶板和采空区相互分离，以有效改善顶板围岩存在的受力状况，拓宽其他开采技术的作业范围。如果要使用传统的开采技术，就必须在巷旁设置相应的支护设备，并且还应当设置煤柱，而无煤柱开采技术可以转变顶板受力的状态，通过设置切顶来完成煤矿的垮落，不仅可以提升煤炭开采的效率，而且不需要再额外设置相应的设备或煤柱，极大地降低了成本，避免了资源的浪费，并且使减少了安全隐患。

2 煤矿切顶卸压的设计方案

2.1 顶板双向预裂爆破设计

2.1.1 切顶高度

这种无煤柱开采技术的关键就在于双向爆破技术，在使用该技术之前应当明确相应的参数，之后才可以运用到实际开采工作中。双向爆破技术所运用的参数主要有切顶的高度、角度及爆破时钻孔的间距，其中在采用双向爆破技术截割顶板的过程中切顶高度是其所需的数值，利用数值模拟方法来计算出最恰当的切顶高度。在对开采煤岩中各个岩层的力学参数进行综合考虑之后，利用数值模拟法来进行计算，将其结果与现场实际相结合，最终得到确切的切顶高度[4]。

2.1.2 切顶角度

切顶角度的计算与切顶高度的计算方法相似，也需要经过数值模拟模型来计算各个切顶角度，并将结果实施对比，选择最佳的方案来确保巷道的稳定性。切顶角度的选择会对巷道围岩造成相应的影响，通常采用20°或15°，根据计算取得的切顶高度，创建有效的模型，以计算出两个切顶角度下的数值[5]。针对各个角度背景下采空区所处的状态，选择最佳的切顶角度。

2.1.3 爆破钻孔间距

在无煤柱开采技术的应用中，爆破钻孔间距是其核心部分，科学的间距可以有效避免岩体受到爆破的损坏，在对爆破钻孔的间距加以明确的过程中，必须经过现场试验，针对各个间距开展相应的爆破试验，并对结果进行归纳和分析，结合工作人员的经验，选择最佳的数值来作为间距。根据开采经验，可以在400 mm、600 mm 和800 mm 三个数值中进行选择。通常来讲，在实施爆破的时候都会使用相应的炸药及双向聚能管，通过研究爆破之后的孔的效果来确定炸药的详细参数。

在对施工过程中所需的参数进行计算之后，还需要设计出有效的切顶卸压方案，在确定关键参数的过程中，不仅可以运用数值模拟模型和现场检测的方法，而且还可以利用工程类比法来设计出工程参数[6]。随后，与各个煤矿的实际状况相结合，明确各个钻孔中存在的聚能管数量、炸药的规格及类型，在首次爆破之后，还应当仔细观察钻孔的状况，分析其效果，进而对爆破的参数加以调节，最终实施封泥。

2.2 巷内和巷旁的支护方案

在对装药及开采的参数进行设计时，制定详细的设计方案，同时还需要设计出巷道支护的方案。其中包含了顶板、间距、两帮等，最终建立起有效的支护方式。例如，顶板可以运用φ18 mm×1 800 mm 的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间距设置为1 000 mm×1 000 mm，托盘则需要使用蝶形铁托盘；而巷道两帮则可以使用φ20 mm×2 000 mm 的玻璃钢锚杆，间距设置为1 050 mm×1 500 mm，托盘则使用相配套的托盘，运用相应规格的钢绞线，其间距为2 000 mm×2 000 mm，另外，在各个断面上都应当设置3 个锚索，并且利用W 形钢带来完成连接[7]。

3 应用效果

山西煤炭运销集团金塬达煤业在以往所进行的开采作业中，所采用的是留煤柱开采形式，应当在2个相邻矿井的区段中配置相应的煤柱。尽管巷道具备较高的掘进率，但也出现了资源浪费问题及其他的问题，综合考虑该区段内顶板所具有的特征，通过对该煤业公司所有的地质特点进行详细调查，在全面考虑煤矿的实际状况及无煤柱开采技术的原理与特征之后，在该煤业的作业面中采取这种无煤柱开采技术进行试验。首先，运用数值模拟的方法来分析现场爆破状况，对开采工作所需的各个参数进行计算与明确，最终在高6 m的部位以15°为切入角进行作业，从而将爆破钻孔的间距设置在600 mm处，通过对运用无煤柱开采技术开采的煤矿工作面进行分析之后发现，作业现场的通风效果得到明显提升，回采率得到了最大限度的提升，具备较好的效果，并且形成了回风巷，极大保证了工作人员的人身安全[8]。

4 结束语

在运用无煤柱开采技术的过程中，双向爆破技术是其核心，并且与切顶卸压无煤柱技术相结合来完成无煤柱开采，同时也可以极大减少成本投入，提高企业的经济效益。通过开展相关试验，并对结果进行分析发现，双向聚能爆破技术不仅可以对顶板的卸压造成影响，而且可以对增高区的分布造成一定的影响，因此，对顶板卸压无煤柱开采技术进行深入研究，推动煤矿开采工作的持续发展。