无煤柱自成巷技术在凌志达矿15501工作面的应用

2021-11-16赵杰

煤矿现代化 2021年6期

赵杰

（山西凌志达煤业有限公司，山西长治 046606）

0 引言

目前，传统粗放型、低技术水平的煤炭开采方式已经无法适应当今社会经济发展，严重制约着矿井安全高效生产的实现。近些年以来，随着煤炭工业的不断进步，无煤柱自成巷技术成为取代传统煤炭开采方式一项革命性技术，该项技术将传统的“一面两巷”采掘方式变为“一面一巷”的采掘方式，不仅少掘一条巷道，节省了回采巷道掘进时间，还能够提升资源回收率，实现矿井可持续发展，并且已经逐步应用到全国不同类型的矿井实践当中。因此，本文以凌志达矿首先应用无煤柱自成巷技术的15501工作面为研究对象，根据工作面实际地质条件，对具体应用方案进行设计研究。

1 无煤柱自成巷技术

无煤柱自成巷技术，也就是110工法，是以何满潮院士提出的切顶短臂梁理论发展起来的一项革命性采煤方法。以高预应力恒阻大变形锚索补强顶板支护、控制顶板变形下沉、充分发挥顶板整体承载作用作为基础前提，工作面推进方向上在预留顺槽巷道回采帮顶板进行预裂切缝作业，以达到减小巷道顶板悬臂梁结构长度，从而形成巷道顶板短臂梁结构的目的，从而实现导向性地阻断顶板应力传导，减轻巷道围岩受工作面采动影响的程度。在工作面推进过巷道该段位置之后，工作面顶板能够沿着预裂切缝随采随落，采空区可以被碎胀后的矸石所充填，再利用布置于巷道回采帮的挡矸支护来保证留巷的完整性，实现将传统的“一面两巷”采掘方式变为“一面一巷”的采掘方式，最终达到实现的无煤柱开采的目的，其技术原理如图1所示。

图1 无煤柱自成巷技术原理示意图

无煤柱自成巷技术是一次煤炭工业领域革命性创新技术，可以避免因留设煤柱所造成的煤炭资源浪费，减少顺槽巷道掘进工程，从而实现矿井的安全高效生产，具有显著的经济技术效益，目前该技术已经推广到国内160多个矿井当中，并且使不同矿井条件也越来越广泛。

2 15501工作面概况

凌志达煤业15501工作面走向长度2 800 m，倾向长度200 m，15号煤层厚度3.34～4.87 m，平均4.105 m，煤层产状平缓，煤层最大倾角9°～11°，局部含2～3层矸石，厚约0.2 m，煤种属无烟煤。其运输顺槽长度为2 750 m，计划将无煤柱自成巷技术首先应用于该条顺槽巷道，以实现该条顺槽巷道可以为下一工作面继续服务，从而达到无煤柱开采的目的。工作面顶底板岩性见表1。

表1 15501工作面顶底板岩性情况表

15501工作面两顺槽设计为矩形断面，巷道净断面为5 000 mm×4 000 mm（宽×高），采用锚网索支护。巷道顶板安装规格为φ20 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1 200 mm；巷道中线安装规格为φ17.8 mm×5 300 mm的钢绞线锚索，排距为2 400 mm；回采帮安装规格为φ20 mm×2 000 mm的玻璃钢锚杆，煤柱帮安装规格为φ20 mm×2 000 mm的螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×1 200 mm。巷道原支护方式如图2所示。

图2 顺槽巷道原支护方式示意图

3 无煤柱自成巷技术应用

根据无煤柱自成巷技术的“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护”特点，结合工作面实际地质条件情况，15501工作面应用无煤柱自成巷技术的具体方案主要包括以下4个方面：

3.1 顶板预裂切缝设计方案

基于岩体自身抗拉性能较弱的特点，通过双向聚能爆破预裂方法可以实现炮孔设定方向上具有拉应力集中的良好效果，可以实现岩体按照预先设定方向被爆破拉裂成型的目的。预裂切缝钻孔深度可以通过下述公式（1）进行计算：

式中：Hm为工作面采高，m；ΔH1为巷道顶板下沉量，m；ΔH2为巷道底板底臌量，m；k为岩体碎胀系数，取值范围1.3～1.5。

巷道顶板主要为厚层灰岩，顶板坚硬，回采后采空区顶板煤岩体碎胀系数k取1.35。根据巷道掘进资料显示，工作面煤厚变化不大，巷道顶底板移近量（ΔH1+ΔH2）取200 mm。工作面采高H煤取平均煤厚4.1 m。将上述各项参数代入公式1计算得H缝=11.1 m，因此切缝深度取12 m。切缝孔布置巷道回采帮边缘处，间距为500 mm，角度为15°。

3.2 厚层坚硬石灰岩顶板弱化方案

根据工作面顶板上覆岩层特性，必须采用深孔爆破弱化处理方案来阻断厚层坚硬石灰岩的应力传导，才能使其及时垮落从而达到避免顶板悬顶面积大，进而取得良好留巷效果。根据目前矿井工程实践经验，爆破孔直径75 mm，深度分别取14、16 m，角度分别取30°、45°，封孔长度取4 m。爆破孔位于正帮顶角下方500 mm和1 000 mm处，孔间距5 m。

3.3 恒阻大变形锚索设计方案

在对预留巷道顶板实施预裂切缝之前，通过高预应力恒阻大变形锚索补强顶板支护，充分发挥巷道顶板自身承载作用，控制巷道顶板围岩因工作面采动而发生变形垮落。恒阻锚索长度Lms可以通过下述公式（2）进行计算：

根据上述Hf计算结果，并且结合巷道顶板岩层特性，需要将锚索锚固到顶板较稳定的层位当中，因此确定锚索长度为13.3 m。恒阻大变形锚索具体布置方案如下：采用规格为φ21.8 mm×13 300 mm的高预应力恒阻大变形锚索，恒阻器长度、外径分别为500、72 mm，恒阻值为33±2 t，预紧力≥25 t。垂直于巷道顶板打设，靠回采帮为第1列恒阻锚索，与回采帮的距离为500 mm，该列恒阻锚索排距为1 000 mm；与第1列恒阻锚索间距1 750 mm打设第2列锚索，该列恒阻锚索排距为2 400 mm；第3列恒阻锚索与第2列恒阻锚索间距也为1 750 mm，该列恒阻锚索排距也为2 400 mm。顺槽切缝、深孔爆破钻孔及恒阻锚索布置如图3所示。

图3 顺槽切缝、深孔爆破钻孔及恒阻锚索布置示意图

3.4 巷道临时支护设计方案

由于在工作面回采过程当中，预留巷道不同位置所处应力情况不尽相同。因此，结合其他矿井无煤柱自成巷技术应用情况，制定出15501工作面运输顺槽临时支护设计方案，主要分区如图4所示。

图4 顺槽巷道不同位置临时支护示意图

1）超前支护区（前30 m范围内）。该部分巷道处于工作面超前采动影响区域当中，需要采取补强临时支护的方式，设计采用单体液压支柱配合长度为3.2 m的π型钢梁架设横向梁，排距为1 m。

2）架后临时支护区（架后0～250 m）。该部分巷道处于工作面超后采动影响区域当中，采空区应力较大，破碎垮落煤岩体会对巷道顶板产生摩擦。设计采用门式支架的临时支护方式，门式支架排距1 m。

3）成巷稳定区（架后250 m之后）。该部分巷道围岩较为稳定，所受应力较小且变化不大，可以撤出临时支护设施并采用保U型可缩支架配合钢筋网实施挡矸支护。U型可缩支架长度设计为3 m，可按照现场实际巷道高度进行适时调整，埋入底板深度不小于200 mm，配合上下2套卡兰，搭接长度不小于1.5 m，排距500 mm，相邻U型可缩支架采用连接板连接牢固。钢筋网采用φ6.5 mm钢焊接成1 800 mm×1100 mm的金属网。挡矸支护如图5所示。

图5 挡矸支护示意图

4 无煤柱自成巷技术施工过程

15501运输顺槽恒阻锚索加固及切顶卸压总体施工过程如下：

1）恒阻锚索加强支护。在工作面开采至少超前100 m时，按照上述设计参数施工恒阻大变形锚索补强巷道顶板支护。

2）石灰岩顶板深孔预裂与预裂切缝爆破。在工作面开采至少超前50 m时，按照上述设计参数实施爆破作业。单根聚能管长度为1.5 m，设计每个爆破孔装设6根聚能管。并在恒阻锚索超前加固不小于20 m时，沿着工作面推进方向上实施一次性起爆顶板预裂切缝爆破作业。

3）架后挡矸支护。巷道设计采用门式支架临时支护，撤出临时支护后及时进行挡矸支护。为避免出现漏风情况，将U型可缩支架与钢筋网之间铺设风筒布，搭接宽度30 cm，上下各超出30 cm，风筒布超出部分与巷道顶底板固定牢靠。

4）喷浆。在巷道围岩情况和顶底板移近量稳定之后，对顶板垮落不充分区域实施喷浆充填，喷浆厚度不小于100 mm，以保证下一个工作面使用需要。

5 无煤柱自成巷技术应用效果

现场施工及成巷效果如图6所示。

图6 现场施工及成巷效果

15501工作面留巷2 750 m，少掘巷道2 800 m（包括系统巷道50 m），不采用110工法留巷时，掘巷成本目前约8 500元/m，留巷概算成本为8 000元/m。留巷效益180万元；按照原先需要留设20 m煤柱，15号煤平均煤厚4.1 m；容重1.40 t/m3进行计算，采用无煤柱自成巷技术留巷2 750 m，工作面大约可多回收资源31.57万t，目前吨煤售价500元/t，折合15 785万元。因此，应用无煤柱自成巷技术后，仅15501工作面就可多产生经济效益15 965万元。