“110工法”在东林公司W1-105综采面的应用

文/ 李世刚 李 伟 董 磊

铁煤集团东林公司煤种为无烟煤，现可采储量不足700万吨，为减少煤柱留设造成资源损失，提高矿井服务年限，缓解接续紧张的局面，东林公司自2016年试验采用切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术，即 “110工法”，至2017年在东林公司W1-106工作面成功留巷1270m。2019年就享用了留巷工程，在W1-106工作面邻侧同层未采区段，仅施工1条回采巷道及切眼就构成了 “2巷1面0煤柱” 的W1-105工作面；西一105工作面在2019年回采后为西一103留巷。

“110工法”在东林公司的成功应用，从根本上解决了沿空留巷无煤柱开采的问题，避免了应力集中释放的重大隐患问题，也解决了综采工作面上隅角瓦斯问题，给安全生产提供了科学合理有效的实现方案，取得了显著的经济效益。

一、“110 工法”简介

相对传统的煤炭回采面布置方式与开采程序的“121工法”而言，“110工法”是煤炭开采格局与程序全新变革的重要成果。前者在采区内每设计1个回采面，就必须施工回采巷道2条，留设煤柱1条。在开采程序上多数实施“跳采”，每个采区不可避免出现“孤岛”工作面，安全生产难度大。随采深增加，合理、合法弃之井下不能回收的煤炭越来越多，致使矿井寿命迅速折减。而后者，应用“切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术”，仅仅在采区的首采面需要施工回采巷道2条，而在采区每1个非首采面只需掘回采巷道1条，留设煤柱0条。推广应用“110工法”，是提高煤炭资源回收率，减少掘进工程量，提高采掘接续水平，延长矿井服务年限，切顶卸压降低应力集中释放，保障矿井经济效益与安全同步协调发展的主途径。

“110工法”的技术关键有四点：一是吊得住，超前施工恒阻锚索；二是切得开，顶板超前切缝欲裂；三是挡得住，沿空挡矸支护；四是留巷段动压影响区补强的临时支护。

“110工法”的力学意义：通过顶板定向预裂切缝，切断了“砌体梁”或“传力岩梁”的压力传递,成功转化为“切顶短臂梁”，亦即切断部分顶板的矿山压力传递，削减采动压力向回采巷道顶部传递与集中，同时提升采空区域荷载承受比例，增添了煤矿动力灾害战略防御的自然力量。回采面推进过程中利用顶板岩层压力，利用顶板部分岩体，实现自动成巷和无煤柱开采。故“110工法”实施后，巷道顶板易维护、动力灾害易根除、资源回收率提高、生产成本降低是必然的结果。

切顶卸压的方法步骤，可归纳为三项。一是预裂切缝：在W1-105回采之前，沿矩形断面运输顺槽上帮与顶板的交线，利用CMM2-8型液压钻车向上施工深9m、仰角75°、间距400mm的钻孔，再把乳化炸药填入聚能管导入钻孔，沿回采方向逐段实施预裂爆破，纵穿钻孔的切顶裂缝随之产生。二是补强支护：切顶裂缝实施之前，利用恒阻大变形锚索对运输顺槽顶板进行补强支护；并用“单体+π型钢梁”以及辅助背棚进行临时维护。当工作面推进180～200m，留巷巷道顶板压力稳定后即可由内向外逐渐回收单体、π型钢梁，并作循环投入使用。三是自动成巷：切顶工程和恒阻锚索实施30m之后启动回采。运输顺槽上帮煤炭被采出后，随着工作面支架向前推移，架后采空区顶板周期性垮落，便形成运输顺槽的新墙帮。为阻挡采空区顶板落石滚入巷道内，采用“钢筋网+29U型钢柱”作挡矸支柱，在机头1#架留巷侧随支架推进及时安设。采空区垮落后形成新的悬顶短臂梁，达到新的应力平衡，即形成留巷巷道。

二、工作面概况

东林公司西一105工作面运顺设计长度1400m。其南侧与西一106运顺相邻；对应地表为牧民草场，高程+1400～+1425m之间；工作面煤层底板高程+1183.7～+1229.5m之间。

W1-105运顺整体上处于一向斜构造内，煤层倾角为3°～10°。

W1-105运顺充水因素有：煤层顶板砂砾岩及粗砂岩、细砂岩孔隙裂隙含水层直接或间接充水、断层裂隙水。预计掘进期间涌水量为3～6m3/h，最大涌水量为12m3/h左右。

煤层顶板8.25～15.31m，以砂砾岩为主，上部偶夹薄煤层，夹杂粗砂岩、细砂岩、含砾粗砂岩。底板2.59～54.79m，粗砂岩、含砾粗砂岩或泥岩，粗砂岩及含砾粗砂岩灰白至深灰色，泥岩灰黑色，均为泥质胶结，层状结构，块状构造，较硬。

三、实施方案

1.查清工程地质条件

为了掌握W1-105运顺顶板岩性情况，每隔50m施工一个顶板岩性地质探孔，孔深15m，依据W1-105运顺巷道内顶板岩性探测钻孔资料，绘制运顺顶板上覆岩层地质剖面。巷道顶板向上0～15m大致分三种岩性，顶板以上0～8m的泥岩，顶板以上3～15m砂砾岩及细砂岩，顶板以上11～15m砂质泥岩。

2.顶板预裂切缝方案

（1）切顶卸压的目的是切断压力传递的岩梁，切顶深度最好大于采空区冒落带的高度。切缝深度h缝的计算公式如下：

h缝=(h煤-Δh1-Δh2)/(S-1)

式中，Δh1——顶板平均下沉量，m；

Δh2——平均底臌量，m；

h煤——工作面平均采高，m；

S ——顶板岩石碎胀系数，1.3～1.5。

据顶板岩石性质，本顶板岩石碎胀系数S采用1.35，顶板岩性素描，在采高变化不大，顶板及底板无变化的情况下，在最大采高3.0m时，h缝=8.48m，h缝为9.0m。

（2）现场实测顶板冒落高度。建立激光测距仪测冒落带高度的几何模型，测距仪距离巷道顶板h=1.27m，按水平倾角35°测量到采空区冒落带最高点的距离为d=14.16m。

利用几何关系，得到采空区冒落高度h=d·sin35°-1.27m = 6.85m

初始碎涨系数S0=（6.85+2.77）÷6.85 = 1.40

按S0=1.40计算，切缝高度h缝=(h煤-Δh1-Δh2)/( S0-1)=7.5m

通过计算得到的顶板冒落高度小于设计的切缝高度，因此切缝深度9m合理。

（3）欲裂切缝参数确定：首先根据方案设计进行3、5、7、10孔隔1孔爆破试验，保证孔内裂缝率和孔口表面贯通率，经过井下连续实验，利用窥孔仪观察爆破孔、间隔孔内切缝效果，最终确定装药参数，起爆方式变为第二种起爆为最佳。爆破采用三级煤矿乳化炸药，拟采用炸药规格为直径Φ35×200mm/卷，封泥长度2.5m，爆破试验方案详见表1。

3.留巷顶板补强方式

根据顶板的岩性及原有巷道支护的布置情况，超前补强支护采用Φ21.8索补，长度11.3m，附加恒阻器施工。锚索纵向三列：第一列锚索距巷道中心1.7m，间距1.0m；第二列锚索距第一排锚索1.2m，间距为2.0m；第三列锚索距第二排锚索1.2m，间距为2.0m。边锚索采用W钢带联合支护，其他两列交替支护。

每孔采用M2360树脂锚固剂3支，锚索长度为11300mm，恒阻器长为450mm，恒阻值为30±2t，预紧力不小于25t。为了确保恒阻锚索施工质量，每天组织对原班施工的恒阻锚索进行拉拔测试，拉拔力不少于40t，拉拔率不少于20%。恒阻器安装前进行扩孔，扩孔长度为450mm，为了确保锚固剂安装顺利通过恒阻器扩孔段，采用长700mm、孔径25～28mm的铝塑管用锚索导入。

表1 爆破实验方案及效果统计

4.工作面回采推进期间临时支护与挡矸支护

西一105工作面开采后，随着工作面的推进，采空区顶板开始周期性垮落，在机头支架需进行挡矸支护，在留巷内进行临时支护。根据以往现场监测数据，将工作面附近划分为三个区：西一105工作面前方30m为超前支护区；机头1#架，架后0～200m为临时支护区；机头1#架后200m之后为成巷稳定区。

（1）超前支护段：随着工作面推进，超前压力段不小于30m。支护方式为3.5m单体液压支柱配合“π”型钢梁，采用“一梁三柱”方式布置，排距800mm，因西一105综采工作面底板较软，采用单体“穿鞋”的方式。

（2）架后临时支护区：为了更好地降低顶板变形下沉量，采用“3.5m单体液压支柱+π梁”与“钢筋网+29U型钢柱”进行临时支护和挡矸支护。

巷内临时支护采用“一梁三柱”单体棚，与W-106工作面运顺临时支护一样，排距800mm。除此之外，沿W钢带走向外侧新布置单体棚，单体棚顶部π梁紧贴W钢带布置，单体柱间距600mm。挡矸立柱紧贴π梁，两个挡矸立柱之间用两道拉杆连接，挡矸立柱间距500mm。临时支护排距视顶板压力显现情况可以缩小至500mm，临时支护所用单体都采取“穿鞋”方式，提高单体的支撑强度。施工过程中要加强对工作面压力监测，及时掌握周期来压情况，来压前要对临时支护进行补强。挡矸支护为了防止周期来压采空区老顶垮落矸石冲击挡矸支护，可以在挡矸墙外侧用单体斜戗方式补强。工作面正常回采时，在留巷口设警戒，严禁人员进入，白班检修期间，人员方可进入留巷内作业。

（3）临时支护里段成巷区：采用顶底板下沉量在线观测仪，每天顶板下沉量符合设计值，可以由内而外进行临时支护回收，只保留挡矸支护，回撤完毕段每10m打点柱，点柱距挡矸支护1.0m，打在悬顶短臂梁远端侧。

5.通风方案

根据W1-106切顶泄压沿空留巷施工经验，生产煤种为无烟煤，不自燃，煤尘不具有爆炸性，通风设计如下：

西一105切眼与W1-105运顺掘透，西一105的下一个工作面西一103切眼与西一103运顺掘透之后，由西一106运顺（为西一105留巷）与105运顺进行入风。变成两入一回的“Y”型通风方式。

四、实施效果

W1-105综采工作面运顺掘进时，尽管地质条件复杂、顶板复合层较厚，给施工带来许多困难，但是为缓解接续紧张的局面，东林公司采用“110工法”，对此综采面实施切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术，对其运顺顶板实施切顶卸压技术，经综采面推进，给相邻综采工作面W1-103留巷1400m。

W1-105运顺切顶留巷共计1350m，回收煤柱5.8万吨，增收1800余万元；少掘一条巷道节省770万元，减少掘进巷道维修费用90万元；因该面临时支护、挡矸支护材料均由西一106留巷回收，大大减少了西一105留巷材料费用，且自己队伍施工，留巷施工费150万元，材料费120万元。因此，综合创效2390万元。

五、结语

“110”工法通过切顶卸压，切断了顶板压力传递岩梁，大大降低了临近采空区采掘工作面的压力，巷道变形小，维修量大为降低，消除了顶板来压强度大的重大隐患。尤其是具有冲击地压危险的区域，通过切顶卸压，不会造成应力大面积集中释放，这也是预防冲击地压的一项重要措施。实现了综采工作面两入一回的“Y”型通风方式，改变了传统的“U”型通风方式，消除了上隅角瓦斯，综采工作面两顺都是入风，留巷内回风。

总之，东林公司通过成功应用“110”工法，实现了“精采精收”，保障了矿井安全生产，为同类条件生产矿井提供了可行的经验和模式。