神东矿区无煤柱开采关键技术及应用研究

2021-02-04高登云李瑞群

煤炭工程 2021年1期

高登云，李瑞群

(国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司，陕西神木 719315)

无煤柱开采技术在英国、加拿大、南非和我国的开展和应用都比较早，积累了丰富的技术经验，也取得了较好的开采效果。采用无煤柱开采技术资源回收率高、巷道掘进率低，并且有利于保证矿井的采掘接续和安全回采。但同时也存在诸多技术难题需要不断创新解决，比如采用传统的沿空留巷施工效率较低，充填材料及设备成本较高，这些都制约了无煤柱开采技术的发展。无煤柱开采技术在神东矿区的推广应用相对较晚，神东矿区以往布置综采工作面时通常要留设宽度为12～20m的区段煤柱，采用这种布置方式尽管有利于矿井的高产高效，但也在一定程度上造成了资源的浪费，神东矿区每年因煤柱损失的煤量高达850万t，并且综采工作面双巷布置还存在以下问题：增加了掘进工程量和掘进队伍数量，不利于矿井的采掘接续；工作面回采完毕后区段煤柱进入采空区带来了自然发火的安全隐患；近距离煤层群开采条件下，上分层留设的集中煤柱对下分层开采形成了集中压力的影响，不利于顶板控制[1]。针对由于留设区段煤柱导致的问题，神东煤炭集团近几年大力推动无煤柱开采技术的探索创新和推广应用，积极研究探索沿空留巷、沿空掘巷和充填开采技术并取得了突破，创新采用了柔模混凝土施工工艺和切顶卸压施工工艺等沿空留巷工艺，研发了沿空留巷液压支架、内嵌式锚索、恒阻锚索等关键创新设备，对沿空留巷、沿空掘巷和充填开采等多种无煤柱开采技术方法进行了改进[2-4]，保证了留巷效果，提高了留巷效率，取得了很好的效果。

1 无煤柱开采技术

无煤柱开采技术就是取消回采工作面区段煤柱的留设，采用其他方式来维护巷道，实现工作面安全高效回采的开采技术。目前神东矿区推广应用的无煤柱开采技术主要包含沿空留巷技术、沿空掘巷技术和充填开采技术。

1)沿空留巷就是沿回采工作面采空区边缘，采取技术措施维护上一回采工作面原来的巷道，并将该条巷道继续作为下一个工作面的区段平巷使用。按照留巷工艺的不同可分为柔模混凝土沿空留巷工艺和切顶卸压自动成巷工艺。柔模混凝土沿空留巷按照挡矸工艺的不同又可分为人工木点柱沿空留巷工艺和挡矸液压支架机械化沿空留巷工艺[5]。

2)沿空掘巷是沿工作面采空区边缘新掘一条巷道，新掘进的巷道作为下一个工作面的区段平巷使用，神东矿区主要实施了柔模混凝土沿空掘巷技术。

3)充填开采是指利用充填料充填采空区实现无煤柱开采的技术，神东矿区主要实施了条带式充填开采技术。

2 柔模混凝土沿空留巷

柔模混凝土沿空留巷工艺是在采空区边缘利用木点柱或挡矸支架配合金属网实现挡矸，在采空区边缘构筑起柔模，再用输送泵将混凝土注入柔模，浇筑形成混凝土墙作为留巷巷帮的施工工艺[6]。下面以上湾煤矿12上308工作面为例对柔模混凝土沿空留巷技术进行介绍。

2.1 工作面巷道布置及通风系统

12上308工作面为“刀把”型工作面，采高3.8m，其中，12上308-1面长度166.2m，推进长度656m；12上308-2面长度280.5m，推进长度944m，实施留巷的运输巷宽度5.4m，高度3.6m。

柔模混凝土沿空留巷技术，首先在该工作面回采前，要提前掘进完成下一个工作面回采巷道，使两个工作面形成“Y”型通风，留巷所需的施工材料通过备用工作面巷道进行运送，12上308沿空留巷工作面巷道布置及通风系统如图1所示。

图1 12上308沿空留巷工作面巷道布置及通风系统

2.2 挡矸工艺

在施工柔模混凝土墙前首先要解决隔挡上一回采工作面采空区矸石的技术难题，神东矿区先后采用了木点柱挡矸和机械化挡矸两种工艺实施混凝土沿空留巷[7]。

1)木点柱挡矸工艺。木点柱挡矸工艺就是采用木点柱在采空区侧进行挡矸，木点柱的排距为0.8m，回采时在端头架前铺设金属网，拉架后自动与木支柱接触成挡矸网。木点柱挡矸工艺具有取材容易、一次性投入少的优点，但是支护强度低，施工安全风险大，留巷速度慢，无法满足安全高效和厚煤层留巷生产的需要[8-10]。

2)机械化挡矸。为了解决木点柱挡矸存在的不足，神东煤炭集团与科研院所合作开展了“浅埋深、薄基岩、安全高效沿空留巷关键技术研究”和“沿空留巷成套设备研发”，成功研制了“铺网端头支架+挡矸支架”的机械化挡矸设备，实现了采空区挡矸支护、自主移架、隔离作业空间和自动架设模板的机械化作业，机械化挡矸支架布置如图2所示，ZRL79200/25/40D型挡矸支架技术参数见表1。

表1 ZRL79200/25/40D型挡矸支架技术参数

图2 机械化挡矸支架布置

2.3 架模工艺

柔模混凝土沿空留巷的每个柔模的长度为3m，宽度1.2m，挂模时用单体顶端卡爪或者挡矸支架的柔模架设机构将柔模翼缘固定在顶板指定位置，采用单体挂模时排距为0.8m。每个柔模安装8根螺纹钢锚栓以增加混凝土墙的抗压强度，锚栓排距1m，间距0.8m，单个柔模的结构如图3所示，施工的混凝土墙尺寸误差小于3%，抗拉强度不小于50kN/m，布缝接强度不小于25kN/m。

图3 柔模混凝土墙单个柔模结构(mm)

2.4 快速泵柱施工混凝土墙

柔模支设完成后采用快速泵柱施工混凝土墙，浇筑距离滞后工作面液压支架150m，主要工序为泵送混凝土制备、罐车运输、泵送和浇筑，快速泵柱施工位置如图2所示，混凝土泵技术参数见表2。

表2 混凝土泵技术参数

2.5 尾巷支护形式

在沿空留巷过程中，为防止回采过程中矿压对预留巷道和柔模混凝土造成破坏，留巷巷道采用“一梁三柱”的架棚支护方式，支护单体排距1m，尾巷支护段的长度为150m。

2.6 内嵌式锚索装置

由于沿空留巷区域的顶锚索会被端头液压支架挤压破坏，从而导致锚索失效，顶板支护无法保证，为了解决这一难题，神东煤炭集团通过技术攻关研制了内嵌式锚索，锚索锁具嵌入在顶板内，成功解决了端头液压支架破坏顶锚索的技术难题。

3 切顶沿空留巷技术

切顶沿空留巷技术首先采用恒阻锚索对巷道顶板进行加强支护，回采前对巷道正帮侧的顶板进行定向预裂，待工作面推过后，在矿压作用下顶板沿预裂切缝自动切落形成巷帮完成留巷。下面以神东煤炭集团哈拉沟煤矿12201综采工作面为例，对切顶沿空留巷关键技术进行介绍。

3.1 巷道布置

12201综采工作面长度320m，推进长度747m，煤厚1.6～2.4m，平均煤厚1.9m，埋深60～100m，可采煤量61万t。根据与相邻工作面布置的位置关系，需要留巷段的长度为580m，原巷道宽5.4m，高2.4m，留巷巷道宽5.0m，高2.1m，如图4所示。在实施沿空留巷前同样把留巷侧的12202工作面掘进完成，为沿空留巷作业的通风和运输服务。

图4 12201综采工作面沿空留巷位置

3.2 施工恒阻锚索补强支护

恒阻锚索采用NPR材料技术，该材料的泊松比为10-2量级，拉伸后断面基本不变，既具有恒阻条件下抵抗变形的功能，又具有抵抗冲击变形能量的功能，在留巷巷道中很好地发挥了支护效果。切顶沿空留巷的巷道补强支护是在原支护基础上，距正帮500mm采取“恒阻锚索+W钢带”补强支护，恒阻锚索规格为∅22mm×8000mm，排距2m，恒阻力达到196kN，锚索延伸量达到0.3～1m，恒阻锚索补强支护方式如图5所示。

图5 恒阻锚索补强支护方式(mm)

3.3 顶板预裂切缝

对顶板采取预裂切缝是切顶沿空留巷的关键，使顶板按照设定方向和深度拉张断裂形成人工预裂面，工作面推采后，在矿压作用下，使顶板按预裂面切落，既能主动切顶又不破坏顶板[11-14]。通过研究选用“3-2-0-1”装药结构，超前工作面40～50m提前施工好双向聚能拉伸爆破孔，切缝孔距帮200mm，眼距600mm，孔深6m，切缝孔角度垂直顶板向正帮方向偏15°～25°，超前工作面8～10m时实施预裂爆破。

3.4 挡矸工艺

回采期间，架前铺网，紧跟端头支架，在采空区侧采用“单体液压支柱+11#工字钢+钢筋网片”进行挡矸，单体液压支柱间距600mm，工字钢间距600mm，均匀间隔布置，钢筋网与工字钢用铁丝绑扎在一起，钢筋网片压茬100mm，同样用铁丝捆扎[15-17]。

3.5 留巷段巷道加强支护

对留巷段100m范围进行加强支护，其中端头支架后0～15m范围内，沿巷道轴向的单体液压支柱间使用长2.4m的花边梁架设在单体液压支柱顶部；端头支架后15～100m范围，沿巷道断面布置单体液压支柱，并使用长 4.2m的花边梁架设在单体液压支柱顶部，以“一梁四柱”的方式布置，间排距为1.2m×1m，至工作面推过100m后可拆除单体和花边梁重复使用。工作面留巷段支护方式如图6所示。