雙向快速無煤柱結束工作面研究與實踐研究

周俊林

摘 要：21世紀以來，隨著我國經濟的迅猛發展，煤炭等化石能源需求量也迅速增加，煤炭在我國能源結構中占主體地位，但是煤炭是不可再生資源，如何能夠高效的利用煤炭是當下研究的重要課題。

關鍵詞：雙向快速;無煤柱;煤炭資源

中圖分類號：TD327.2 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0123-02

0 引言

無煤柱開采有利于開發煤炭資源，提高煤炭回采率。據我國多數礦井應用無煤柱開采技術數據表明，無煤柱開采一般可提高回收率10%-20%，同時能很大程度地消除易自燃煤層自燃發火根源，對于降低瓦斯涌出也有顯著效果，通常能使風流中瓦斯含量減少30%-50%。峰峰集團屬于老牌的煤炭生產基地，自成立至今已有一百多年的開采歷史，隨著資源儲量的不斷開采，很多礦井進入了或即將進入資源枯竭期，工作面布置多為回收邊角煤，地質條件復雜，單面儲量小，搬家倒面次數多，為盡可能回收煤炭資源，延長礦井壽命，我們提出了雙向快速無煤柱結束工作面方案。

以往工作面結束均采用保留煤柱形式進行結束，工作面在距聯絡巷或集中回風巷20m左右位置結束，既不安全又浪費煤炭資源，此次無煤柱結束工作面技術是在以往沿空留巷技術基礎上，根據2706工作面頂板特點以及以往經驗進行可行性分析，決定在新三礦162706工作面實施無煤柱結束工作面技術，本課題共分兩個方面：（1）頂板預加固，使得工作面結束期間頂板得到有效支撐，為拆除設備提供了安全保證。（2）拆除時利用液壓支架調移裝置快速結束工作面，通過這兩方面技術的研究應用，為無煤柱結束工作面提供借鑒資料，提高煤炭資源回收率。

1 研究的目的和意義

工作面結束以后為了保護周圍巷道，往往采取留設區段保護煤柱的方式結束，雖然客觀上對巷道有一定的保護作用，但是對煤炭資源回收以及出支架期間頂板管理十分不利，經過長期實踐和技術改革，實現了無煤柱結束工作面，并提高了工作面拆除支架期間頂板的可靠性。

（1）采用“槽鋼、錨索+木梁棚子+支架”聯合支護措施，成功保留聯絡巷，實現工作面無煤柱結束，多回收原結束方案預留的煤柱，提高煤炭資源回收率，延長回采時間，同時成功保留162706工作面的聯絡巷，可為掘進162704底層工作面服務。（2）首次采用TYH-300型液壓支架調移裝置（機械手）回撤支架，降低工人勞動強度，每班出支架4個，全天出支架8架，提高效率33%以上，工作面出支架使用機械手，避免底板拖移支架期間，對周圍施工人員構成威脅，保證作業環境可靠。（3）縮短所出支架提前靠聯絡巷上幫擺放，減少出支架用工投入，同于與錨索、槽鋼加固聯合支護，有效的控制巷道圍巖變形。

2 研究主要技術內容

2.1 聯絡巷加固

為了保證工作面能夠正常推到聯絡巷，在工作面距聯絡巷不小于50m時，提前對聯絡巷進行加固支護。162706 聯絡巷下幫鋼帶端頭和距鋼帶端頭1.1m位置打設兩排錨索并用工字鋼連鎖，間距0.6m。工字鋼采用長2.6m，孔距1.1m，錨索采用長度10m，直徑21.6mm的低延伸率鋼絞線。聯絡巷打錨索完成后，在下幫打設兩排單體對頂板加強支護，單體間距1m。工作面距離聯絡巷7m時，開始上網上繩。待工作面和聯絡巷推透后伸縮梁全部伸出護頂，支架前梁距聯絡巷上幫1-1.5m時，停止移支架，開始拆除工作面設備，進行出支架工作。

工作面結束出支架直接在聯絡巷中進行。為了保證聯絡巷能夠承受采動帶來的壓力影響，為完成此項技術工程順利進行，我們準備分二個階段來完成工作面的結束。第一階段：工作面聯絡巷進行加固。聯絡巷長度75m，聯絡巷原錨索“三三”隔帶布置，按“三三”逐帶補齊錨索進行加固，排距1.3m，聯絡巷打錨索完成后，在下幫打設兩排單體。第二階段：工作面結束后進行出支架工作，隨著支架外運，支架正上頂網隨頂板下垂成為擋砟網，可擋住正后老空區砟，提高工作面結束安全性。

2.2 沿空留巷支護工藝

借鑒以往無煤柱回采結束自切頂留巷成功經驗，將自然平衡拱與懸吊理論作為理論依據，確定科學合理的支護強度，頂板壓力計算如下：

（1）自然拱高度計算：

自然平衡拱高度計算根據《采礦工程設計手冊》深部巷道礦壓計算公式計算，巷道頂板破碎時：

b1===3.36m

式中：b1—巷道自然平衡拱高度;a—巷道跨度之半，取2.2m;h—巷道高度，取2.8m;φab、φ'd—巷道頂幫圍巖內摩擦角，取45°。

（2）巷道頂板壓力計算：

Pd=2rdab1=2×25×2.2×3.36=369.6KN/m2≈ 0.37MPa

式中：Pd—巷道頂壓，KN/m2;rd—頂板巖石容重，取25 KN/m3;a—巷道跨度之半，取2.2m;b1—巷道自然平衡拱高度。

（3）支護強度計算：

1）錨網梁支護強度計算：選用錨索φ21.6mm，長度10m，已知錨索破斷力490KN，設計錨固力200KN。計算單根錨索所需錨固力：

Q固=Q÷N×K=539.1÷3×1=179.7kN

式中：Q一個步距巷道錨索支護頂板巖層冒落重力，539.1kN;N一個步距巷道支護所需錨索根數，3根;K—安全系數，取1。

單根錨索所需錨固力同時滿足Q

P'd=n×Rt=3×179.3=537.9kN/m2=0.53MPa>0.37 Mpa

2）木梁棚子支護強度計算：

P'd=n×Rt=3×150=450kN/m2=0.45MPa>0.37Mpa

式中：P'd—實際支護強度;n—單位面積內單體液壓支柱數量，取3;Rt—單體液壓支柱額定支撐力，取150KN。

3）上幫支架支護強度計算：

聯絡巷上幫頂板采用ZF2000/15/23輕放支架，支架初撐力1700-2087KN，支護強度：P'd=0.43～0.51Mpa>0.37Mpa。

沿空留巷施工工藝分為三部分：（1）超前煤壁50m對聯絡巷進行加固，在聯絡巷上、下幫距鋼帶端頭0.8m位置各打設一排錨索配合槽鋼連鎖。（2）聯絡巷打錨索加固后，順巷道傾向使用直徑不小于18cm、長度不小于的木梁配單體支護頂板，一梁三柱，棚距1.6m，要求木梁靠工作面方向要頂緊煤幫，以便聯絡巷割透后支架前梁直接挑住支護木梁。（3）將上頭縮短所出支架，靠聯絡巷上幫沿走向依次擺放，與補強支護的錨索配槽鋼組成“聯合”支護。

2.3 出架方案

采用TYH-300型液壓支架調移裝置（機械手），實現快速回撤支架，工作面支架回撤采用雙向快速回撤支架，即外聯絡巷支護支架與工作面支架先后依次外調，走向支架作為出架通道臨時支護。

3 研究的思路及方法

3.1 研究方法

（1）現場調查法。通過現場調研，優化工作面結束計劃，確定無煤柱開采研究方向;（2）理論分析與計算。基于自然平衡拱與懸吊梁理論科學計算沿空留巷頂板壓力，合理確定沿空留巷支護方案;（3）現場實測（礦壓觀測）法。項目實施過程中，通過現場礦壓觀測，驗證沿空留巷支護方案可行性。

3.2 實施路線

現場調研確定無煤柱結束研究方向→理論分析與計算確定沿空留巷支護方案→市場考察，引進TYH-300型液壓支架調移裝置（機械手），制定出架方案→工業性實驗→礦壓觀測，驗證支護方案可行性→項目實施效果分析總結→項目實施方案、工藝優化→推廣應用。

4 取得的主要成果

（1）實施無煤柱雙向快速結束方案，成功回收了原結束方案需要留設的煤柱，提高資源回收率。（2）采用“槽鋼、錨索+木梁棚子+支架”聯合支護，有效控制巷道圍巖變形，成功保留聯絡巷，大大減少巷道整修工作量，保證安全生產。（3）施工簡單方便，不影響工作面正常推進，超前加固即可。對于回采工作無任何影響，上頭縮短出支架可放置聯絡巷上幫，作為臨時支護的同時也能緩解人員緊張。（4）回撤支架放頂前，只需擺木垛留假風道，確保結束期間的正常通風。（5）首次引進機械手回撤支架，發揮科技創新優勢，為其他工作面安全快速結束奠定基礎。

5 效益分析

5.1 經濟效益

（1）應用無煤柱雙向快速結束工作面方案，走向多推進35m（L），平均采長60m（C），采高3m（H），容重1.45，煤價600元/噸（J）。計算經濟效益：S=L*C*H*1.45*J=35*60*3*1.45*600= 548.1萬元。

（2）加快支架回撤速度，節省人工成本。工作面結束出支架48架，以往三班出支架，每班出2架，每天用工30個，需要8天完成;現在兩班出支架，每班出4架，每天用工16個，實際6天完成，節省用工數144個，降低人工成本為144* 300=4.3萬元。

（3）減少材料損耗。上網、上繩位置推延4m，減少60m長鋼絲繩4條，10m礦用塑料網15卷，節省支護材料成本5萬元。累計直接經濟效益：548.1+4.3+5=557.4萬元。

5.2 社會效益

（1）改變了以往出支架頂板隨即下沉影響安全的情況出現，提高了工作面結束安全系數和施工效率，解決了長久以來結束工作面頂板管理困難、容易出頂板事故的局面。（2）大大提高了資源回收率。留巷可實現無煤柱護巷開采，減少一條區段保護巷煤柱，提高煤炭資源回收率，實現了煤柱全部回收，對緩和采掘接續緊張和延長礦壽命具有重大意義。

6 項目的應用與推廣

雙向無煤柱結束技術一次性回收煤柱，避免區段煤柱損失，提高了單面產量，其工藝簡單，成本低、收益多、安全系數高，既能保證安全生產，又實現了經濟效益與社會效益雙贏，對于促進煤礦安全高效生產具有深遠意義。該工藝在新三礦162706工作面應用后，取得極大的經濟效益，對此類條件下工作面結束有很好的借鑒意義，具有極大地推廣價值。