110工法在中厚煤层开采中的应用研究

李 彪

(太原市梗阳实业集团有限公司 麦地掌煤矿，山西 太原 030400)

在我国煤矿开采工业中，整层走向长壁采煤法有广泛的应用。这种采煤方法的特点是回采工作面沿煤层倾斜方向布置，回风平巷和运输平巷并列分布在回采工作面的上方和下方，整体沿走向方向推进[1]。这种采煤方法适用于多种不同长度的工作面，尤其适用于缓斜薄及中厚煤层，同时巷道布置简单、单位采煤量掘进成本较低，能够显著提升煤矿开采的经济效益。采用这种方法进行煤矿开采，面临煤层开采后区段煤柱剩余量大、巷道围岩易变形等问题。为了克服这些缺陷，学术和工业界相继提出了沿空留巷无煤柱开采技术和切顶卸压无煤柱自成巷技术[2-3]。这两种技术在应用时，相邻长壁工作面均不需要保留煤柱，相比于留煤柱开采技术能有效提高煤层开采效率、降低煤矿开采成本。具体来说，沿空留巷无煤柱开采技术在煤矿开采历史中出现得比较早，主要采用在靠采空区一侧巷道旁充填等方法进行护巷，具有施工简单、护巷效果好等优点，但是充填不当会影响煤矿开采作业进度[4]；切顶卸压无煤柱自成巷技术相对而言出现得比较晚，主要通过在回采巷道采空区一侧采用定向爆破技术切断采空区和巷道顶板，使其自然脱落后形成巷帮，从而实现沿空留巷[5]。相比于沿空留巷无煤柱开采技术，在切顶卸压无煤柱自成巷技术基础上所发展起来的无煤柱自成巷110工法所成巷道质量较为坚固，能够有效阻隔采空区不平衡压力传递、降低巷道充填及维护成本，是当前各大矿区重点推广的技术。本文研究了无煤柱自成巷110工法在太原麦地掌煤矿中厚煤层开采过程中的应用，论述了主要施工步骤并指明了关键工程技术措施，同时总结了采用该技术后获取的效益。

1 工程概况

太原麦地掌煤矿位于山西省清徐县马峪乡陈家坪、麦地掌村及古交市邢家社乡陈家社村一带，南距清徐县城约10 km.该煤矿年生产规模120万t，开采深度分布在-1 000～-650 m(标高)。

该煤矿2号煤层为稳定可采煤层，采用切顶卸压无煤柱自成巷技术进行开采。该煤层煤岩走向角度偏大，同时具有褶曲地质构造、断层地质构造和陷落柱地质构造三种结构形式，其中褶曲地质构造总体为向西倾斜(倾角东部大于西部)的单斜构造，除地质构造附近外地层产状较稳定；小断层和次一级褶曲发育较完善，是导致围岩破碎易垮落的主要原因，影响巷道掘进质量；陷落柱发育较完善，单个陷落柱在平面上呈(椭)圆形，在剖面上呈倒锥形，其中填充物较致密，密实程度好，平均16个/km2，对煤层的破坏直径达(70±30)m.根据巷道煤(岩)层产状及地质构造分析可以发现，110工法适用于麦地掌煤矿的开采。另外，该矿区无岩浆岩体、冲刷带等地质构造，陷落柱面积占开采面积的4.5%，造成煤岩层产状局部发生变化，陷落柱对煤层开采及巷道施工影响较大。因此，确定采用何满朝院士提出的110工法进行煤资源采集[6-7]，同时采用切顶卸压无煤柱自成巷技术进行巷道构建施工。

2 工艺原理

2.1 技术概述

无煤柱自成巷110工法的基本原理是回采1个工作面、掘进1条巷道、留设0个煤柱(也就是不留设煤柱)[6]。不同于传统的采煤工艺，110工法在实施过程中有效改变了长壁开采一面双巷模式，通过对巷道正帮侧顶板采取定向预裂，从而缩短了顺槽采空区侧顶板悬臂梁的长度，同时切断采空区顶板与巷道顶板应力传递路径，以达到减小巷道顶板压力集中的目的[8]；同时，为了增强巷道顶板的稳定性，在顶板采取锚索补强支护，待工作面推过后，在矿压作用下顶板将沿预裂切缝自动切落形成巷帮，作为下一个工作面的巷道以便二次使用[9]。采用这种方法进行煤层开采，既隔离了采空区，又保持了巷道的完整性，实现了单面单巷开采，有效节约了资源并提高了生产效率。

采用这种工法进行煤层开采，可以实现采区内减少掘进巷道、防止遗留煤柱与瓦斯混合自燃、缩短回采巷道长度等多项经济、管理、技术效益的综合提升，能够确保煤矿采留一体化连续安全生产，代表了未来实现第三次矿产开采技术革命的方向。

结合太原麦地掌煤矿的地质特点和开采方案，在该煤矿中推广应用无煤柱自成巷110工法，平面布设如图1所示。

图1 无煤柱自成巷110工法平面布设

2.2 技术流程

在中厚煤层开采中实施无煤柱自成巷110工法，可以综合运用恒阻大变形锚索顶板支护技术，双向聚能张拉成型爆破超前预裂切顶技术，“恒阻大变形锚索+单体液压支柱+U型钢”巷道围岩联合支护技术及切顶卸压自动成巷矿压远程监测技术，按照图2所示的流程进行实施。

图2 无煤柱自成巷110工法在单厚煤层开采中的实施流程

3 关键工艺

在太原麦地掌煤矿中积极推进无煤柱自成巷110工法，结合该煤矿的地质和煤层分布特点对110工法进行适应性改进，同时探索制定了顶板定向预裂成缝、恒阻锚索补强加固、挡矸及巷道临时支护等关键工艺的实施方法和质量检查项目。

3.1 顶板定向预裂成缝技术

结合麦地掌煤矿围岩多以断裂层为主的特点，为了充分利用围岩抗压特性，同时达到使岩石按设定方向拉裂成型的目的，采用双向聚能爆破预裂技术对顶板进行处理。

根据地质勘查报告及过去的施工经验，可以发现预裂切缝钻孔深度与采高、顶板下沉量及底鼓量有关，符合以下关系[10]：

H=(Hc-△H1-△H2)/(k-1)

(1)

式中：H为预裂切缝钻孔深度，m；Hc为煤层采高，m；△H1为顶板下沉量，m；△H2为底鼓量，m；k为碎胀系数，一般取1.3～1.5.

根据掘进资料，工作面煤层采高期望值为1.87 m，根据公式(1)计算可得预裂切缝钻孔深度H需达到9 m.此时，沿巷道方向规划好预裂线，在其上安装特制的双向聚能装置，使聚能方向与岩体预裂方向保持水平，待炸药起爆后对岩体预裂方向产生集中受拉作用，从而实现顶板按设定方向张拉断裂成型的目的。采用这种预裂方法，可以实现预裂缝的有效可控，避免对周围围岩产生损伤，同时减少炸药使用量，能够有效降低煤炭开采成本。

对预裂成缝效果进行检验，可以获取如表1所示的数据。

从表1可以看出，采用该技术可以在较高精度内达到顶板切缝预裂的效果，为后续煤层开采奠定了基础。

表1 顶板预裂切缝钻孔质量检查指标

3.2 恒阻锚索补强加固技术

在无煤柱自成巷110工法中，恒阻锚索补强加固技术经常和顶板定向预裂成缝技术配合使用，确保顶板在预裂缝形成之后能够保持长期的稳定性。恒阻锚索需要固定在稳定性良好的岩层内，在留巷中起着悬吊和补强支护的作用。在麦地掌煤矿中，为了达到预定的补强支护效果，根据设计方案，麦地掌煤矿选择的恒阻锚索基本参数满足表2中列出的指标。

表2 恒阻锚索选择参数

在麦地掌煤矿中应用无煤柱自成巷110工法，考虑到特殊的地质结构，同时为了进一步降低成本，经过测算，采用恒阻锚索与普通锚索混合搭配的方式实现加固，具体布设如图3所示。

图3 锚索补强支护设计(mm)

恒阻锚索的安装与检查，可以参照表3进行。

表3 恒阻锚索的安装与质量检查标准

3.3 挡矸及巷道临时支护技术

麦地掌煤矿在利用110工法实现工作面推进过程中，不同位置巷道受采动影响不同。工作面超前段会受到超前压力的影响；工作面开采后，顶板开始垮落，且从垮落到稳定需要一定的时间，因此距工作面较近的架后区域不仅需要进行顶板支护，还需进行挡矸支护。随着工作面继续推进，当巷道距工作面较远时，顶板运动基本会趋于稳定，此时可将架后临时支护的设备撤掉，只进行挡矸支护即可。因此，根据距离工作面的远近不同，将巷道整体分为超前支护区(工作面前方30 m)、架后临时支护区(架后0～300 m)和成巷稳定区(架后300 m之后)，不同分区根据需要采取不同的支护措施。

超前支护区采用NPR锚索重点对顶板进行加固支护；架后临时支护区对顶板单体梁进行临时加强支护，同时采用钢筋网与可伸缩U型钢进行联合挡矸支护；成巷稳定区域内的顶板已趋于稳定，利用单体柱和可伸缩U型钢进行挡矸支护。另外，为了保证施工质量，对碎石帮进行高分子化学浆喷射，同时配合矿压监测，确保巷道内满足通风和通行需要。

对各个区域内的支护质量进行质量检查，可以遵照表4进行。

表4 挡矸及巷道临时支护质量检查标准

4 实施效果

在太原麦地掌煤矿中推行无煤柱自成巷110工法，经过一年多的工程实践，取得了良好的经济效益和社会效益，证明了这种工法的高效性和科学性。

1) 经济效益。通过实施无煤柱自成巷110工法，麦地掌煤矿单一工作面轨道顺槽少掘巷道1 710 m，采煤量增加了10%，半煤岩巷掘进费用节省了30%，减少了约1条巷道的掘进工作量，有效减少了资金投入，提升了煤矿的抗金融风险能力。

2) 社会效益。通过实施无煤柱自成巷110工法，切断了“砌体梁”和“传力岩梁”的应力传递，有利于顶板岩层控制；改变和优化了巷道围岩压力分布规律，有效降低了高应力环境威胁；缩短了近一半的掘巷时间，缓解了回采工作面连续不间断施工带来的安全压力。

5 结 语

1) 无煤柱自成巷110工法在太原麦地掌煤矿中进行探索应用，通过最终的效益提升对比进一步证明了该工法具有良好的经济效益和管理效益，具有较强的实用性和先进性。

2) 无煤柱自成巷110工法在实施过程中，顶板定向预裂成缝、恒阻锚索补强加固、挡矸及巷道临时支护等属于关键工艺，需要对其结合煤矿特点进行适应性改进，同时需要制定科学的质量检测指标，通过质量检测发现工法实施过程中的缺陷并及时进行改进，这样才能形成闭环管理效应。

3) 本文总结形成的无煤柱自成巷110工法实施要点适用于中厚煤层的开采，相关煤矿可以在此基础上进行适应性改进，从而进一步扩大110工法的应用范围。