黃陵礦業一號煤礦501工作面無煤柱開采方案探討

王緒強

摘要：本文以黃陵礦業公司一號煤礦501工作面為工程背景，對“110工法”無煤柱開采施工所需的巷道斷面、支護設計、頂板切縫及留巷支護等關鍵技術參數進行深入研究和分析，經充分論證提出了具體的實施方案;對實施無煤柱開采可能存在的水、火、煤塵以及瓦斯等災害進行評估，制定了可靠的災害治理措施，為501工作面實施無煤柱開采實踐奠定了理論基礎。無煤柱開采技術的成功應用，能夠提高煤炭回采率、延長礦井服務年限，能夠大幅度降低掘進率、緩解礦井采掘接續緊張局面，對保障一號煤礦可持續發展具有重大意義。

Abstract： This paper takes the 501 working face of No.1 Coal Mine of Huangling Mining Company as the engineering background， and carries out in-depth research and analysis of the key technical parameters such as roadway section， support design， roof cutting and roadway support required for the "110 working method" non-pillar mining construction， and puts forward specific implementation plans through sufficient argumentation; and it evaluates the disasters such as water， fire， coal dust and gas that may exist in non-pillar mining， and develop reliable disaster control measures to lay a theoretical foundation for the implementation of non-pillar mining practice in the 501 working face. The successful application of non-pillar mining technology can improve the coal recovery rate and extend the service life of the mine. It can greatly reduce the tunneling rate and alleviate the tight situation of mine mining and connection， which is of great significance for ensuring the sustainable development of No. 1 coal mine.

關鍵詞：切頂卸壓;沿空留巷;恒阻錨索;無煤柱開采

Key words： top-cutting pressure relief;gob-side entry retaining;constant-resistance anchor cable;non-pillar mining

中圖分類號：TD82 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）27-0165-06

0 ?引言

黃陵礦業有限公司一號煤礦位于陜西省延安市黃陵縣店頭鎮，是國家“八五”重點建設項目，是20項興陜工程之一。礦井設計生產能力420萬t/年，經過不斷技術升級改造2010年核定礦井生產能力為600萬t/年。2號煤層為礦井唯一主采煤層，煤層傾角一般在1-5°，厚度0.9m-4.62m，均厚2.77m，煤層結構簡單。礦井井田開拓方式為平硐開拓，主要大巷沿煤層布置，采煤工藝為綜合機械化長壁后退式采煤法，全部垮落法管理采空區頂板，相鄰工作面之間留設30m保護煤柱;掘進采用綜掘工藝，采掘機械化程度100%。礦井為高瓦斯礦井，采用中央并列與中央分列混合抽出式通風，水文地質類型為復雜型。礦井主運輸采用膠帶運輸，輔助運輸采用無軌膠輪車運輸。

近年來，一號煤礦不斷探索科技興安、創新發展之路，不斷加快礦井“四化”建設步伐，現已經實現地面指揮控制中心和井下順槽監控中心對綜采工作面所有設備的“一鍵啟停”和視頻安全確認功能;已實現主膠帶、主排水泵、風井主扇、變電所系統的地面遠程操控，并實現監測監控“專用電源”低壓的遠程控制，做到了無人值守、有人巡視的常態化管理。然而隨著礦井開采深度的不斷延伸，傳統“121工法”開采帶來的問題日益嚴重，礦井生產接續緊張、災害治理時間不足、煤炭資源浪費嚴重等問題逐漸暴露。因此，實施無煤柱開采技術研究和工程實踐，成為礦井具有基礎性、挑戰性和緊迫性的重大科技項目。

1 ?理論依據

我國的綜合機械化長壁開采已經歷了兩次技術變革，現正在經歷第三次礦業技術變革。第一次礦業技術變革是錢鳴高院士提出的砌體梁理論及其應用于實踐的121大煤柱工法，第二次礦業技術變革是宋振騏院士提出的傳遞巖梁理論及其應用于工程的121小煤柱工法。這兩套工法實踐具有以下相同點：即回采1個工作面、施工2條順槽、留設1條護巷煤柱，不同之處在于留設的護巷煤柱寬度不同。第三次礦業技術變革是在錢鳴高院士和宋振騏院士的悉心指導下，由何滿潮院士提出的切頂短壁梁理論和110-N00無煤柱采礦工法。110工法的特點是：回采1個工作面、施工1條順槽，且不再留設護巷煤柱。我國目前煤礦普遍采用121大煤柱工法，但未來煤礦開采的發展趨勢是110-N00工法。受限于技術、裝備、災害治理等因素的影響，N00工法尚處于研發論證和探索實驗階段，但110工法已在部分條件較好的礦井取得了成功應用。110工法理論要點如下：①技術原理：采用恒阻錨索對巷道頂板加強支護，回采前采用爆破預裂技術，對巷道主幫側頂板進行定向預裂，形成切縫;待工作面推過后，在礦壓作用下頂板將沿預裂切縫自動切落形成巷幫，作為下一個工作面的順槽二次使用，從而實現無煤柱開采。②關鍵技術—恒阻錨索支護技術：采用具有特殊結構的恒阻大變形裝置，使錨索支護既具有恒阻條件下抵抗變形的功能，又具有抵抗沖擊變形能量的功能。③關鍵技術—頂板預裂切縫技術：在炮孔中采用雙向聚能裝置裝藥，并使聚能方向對準控制斷裂方向;炸藥起爆后，沖擊波和應力波優先沿設定方向集中釋放，在炮孔壁上形成和聚能孔方向一致的徑向初始裂縫;爆生氣體涌入徑向初始裂縫，在設定方向產生拉應力集中，斷裂巖體，實現頂板預裂切縫。

2 ?501工作面開采技術條件

2.1 工作面位置及井上下關系

五盤區位于井田中部，北一開拓大巷西翼。501工作面為五盤區首采工作面，工作面對應上部地表位于圪嶗寺村東，地表為低林山地，有間歇性河流太陽溝流經本區，地面標高+903m-+1271m。501工作面東接北一2#回風巷，向西為619工作面采空區，北部為無煤區，北部偏西為621、623采空區。501工作面布置有兩條順槽，分別為501進風順槽、501運輸順槽，其中501進風順槽、501運順機頭硐室已施工到位。工作面主要服務大巷有北一2#回風巷、北一進風巷、北一回風巷、北一皮帶巷。501工作面設計可采長度2176m，工作面寬度230m，工作面可采儲量113萬噸。工作面巷道布置詳見圖1。

2.2 煤層及頂底板情況

2#煤為501工作面范圍內唯一可采煤層，煤層結構簡單，厚度1.4-2.4m，平均厚度1.9m，煤層傾角1-5°。工作面無偽頂，直接頂為灰黑色泥巖，下部含黃鐵礦，平均厚度5.3m;老頂為細砂巖、粉砂巖和泥巖的互層，平均厚度14.9m;直接底為灰綠色泥巖，塊狀，含鉛土質，光滑，平均厚度為2.6m，遇水膨脹，易底鼓，應及時維護。工作面距停采線830-900m范圍揭露一背斜軸部，煤層變薄，且工作面向切眼方向坡度開始下降，距停采線1250m附近煤層坡度下降明顯。回采至背斜范圍時，由于工作面起伏較大，應加強頂板和瓦斯管理工作。

2.3 水文地質情況

501工作面頂板隔水層主要為延安組2#煤層以上的相對隔水層，從2#煤以上至直羅組底界，巖性為泥巖、粉砂巖和細粒砂巖，平均厚度95m。含水層主要為直羅組下段砂巖含水層，巖性以灰白色中、粗粒砂巖為主，平均厚度40m。依據501工作面鉆孔資料可知：延安組上部相對隔水層厚度較為穩定，為91.6-97.45m;直羅上段隔水層分布不均，為36.8-71.62m;直羅組下段砂巖含水層38.57-41.9m。依據《黃陵一號煤礦采空區頂板裂隙帶探測技術報告》，類比可計算出501工作面冒落帶、裂隙帶總高度在73m左右，因此回采溝通地表水及直羅組砂巖含水層可能性較小。但在501工作面回采前，為確保回采安全，仍應對其頂板進行直流電法物探及鉆探驗證，提前疏放含水異常區。

2.4 其他地質因素

五盤區原始瓦斯含量最低1.05m3/t，最高瓦斯含量2.68m3/t，屬于瓦斯富集區，在501進風順槽在掘進過程中未見瓦斯涌出異常現象。2#煤層自燃傾向性等級為二類，屬自燃煤層，最短發火期為52天。煤塵具有爆炸性，爆炸性指數為35.59%。

3 ?切頂卸壓沿空留巷關鍵技術參數選擇

目前，我國應用最廣泛無煤柱開采技術有柔模混凝土沿空留巷技術和110工法沿空留巷技術兩種。其中柔模混凝土沿空留巷技術的巷旁支護具有較大的剛性和較高的阻力，能夠較好隔絕采空區，防止采空區內有害氣體涌入巷道或從巷道向采空區漏風，但該技術工藝推進速度慢，而且要建立一套復雜的混凝土運輸和泵運充填系統，生產成本較高。為保證礦井高產高效和接續穩定，我礦經過充分考察和研討后決定采用110工法沿空留巷技術進行無煤柱開采。501工作面無煤柱開采總體方案：回采前期，采用常規綜采工藝推采616m;進入留巷段范圍后，對501運順采用爆破預裂“切頂卸壓自動留巷”無煤柱開采技術進行沿空留巷，所留巷道作為502工作面進順使用，從而實現無煤柱開采。無煤柱開采期間，采用Y型通風方式，新鮮風流由501進順、501運順進入，乏風由501運順（留巷段）、502切眼、502運順回至北一回風巷（詳見圖1）。501運順留巷施工關鍵技術參數選擇如下。

3.1 巷道斷面及設備布置

501進順、501運順機頭硐室已施工，順槽寬度4.8m，高度2.8m，在501工作面回采期間，501進順作為輔助運輸巷使用，另一條順槽作為主運輸巷使用。按照礦井接續安排，501綜采工作面安裝我礦第一套智能化綜采設備，從設備配套角度考慮，501運順寬度要求不小于5.2m、高度不低于2.8m。從其它煤礦的實踐經驗看，采用“切頂卸壓自動留巷”無煤柱開采技術后，所留巷道寬度收斂在0.4-1m之間;而所留巷道作為502進順使用，順槽內除設備列車、超前支架外，一般沒有其他大型設備，巷道寬度在一般要求不小于4.2m即可。綜上，501運順巷寬取5.2m、巷高取2.8m。由于需要施工恒阻錨索和切頂爆破孔，借鑒我礦周邊的瑞能煤礦實踐經驗，501運順主幫至少要留夠1.5m寬的施工空間。另外根據我礦的回采經驗，運順在回采期間一般沒有大型車輛進入。綜上考慮，將綜采皮帶沿501運順巷中布置，設備列車布置在501進順內。

3.2 掘進支護設計及校核

501運順（留巷段）采用“錨桿+錨索梁+塑鋼網+金屬網”聯合支護。頂錨桿排距1000mm，頂錨桿間距：靠幫側兩根錨桿間距1000mm、中間四根錨桿間距850mm，“六--六”矩形布置，采用？準20×2500mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿;幫錨桿間排距700×1000mm，“四--四”矩形布置，主幫采用？準20×2500mm玻璃鋼錨桿，副幫采用？準20×2500mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。錨索梁采用T140鋼帶加工，梁長4.8m，一梁四索，排距1000mm;支護錨桿前對巷道頂、幫均掛塑鋼網;支護錨索前對巷道頂板掛？準6金屬網。另外在掘進過程中，須在一次永久支護的基礎上對頂板采用“單錨索+T180鋼帶+恒阻錨索”的方式進行二次加強支護，二次加強支護距工作面迎頭不大于300m;恒阻錨索平行于順槽方向支護，共支護兩列;第一列距巷道主幫1000mm，恒阻錨索采用T180鋼帶固定，梁長4.4m，一梁五索，間距1000mm;第二列距巷道主幫2600mm，恒阻錨索采用16#槽鋼梁固定，梁長0.4m，一梁一索，間距2000mm。支護設計詳見圖2、圖3。

計算得N？叟3.98，即排距1m，巷寬5.2m范圍錨索數量最少為4根。因此，設計時增加了錨索根數，設計為每排5.5根（含恒阻錨索），滿足要求。

3.3 頂板爆破預裂切縫設計

頂板爆破預裂切縫采用雙向聚能爆破預裂技術，該爆破技術是在對比研究多種聚能爆破和定向爆破方法的基礎上發展起來的一種新型聚能爆破技術，施工工藝簡單。頂板預裂切縫深度（H縫）臨界設計公式如下：

H縫=（H煤-ΔH1-ΔH2）/（K-1）

式中：H煤—工作面實際采高，m，取2.3m;

ΔH1—頂板下沉量，m，取0.1m;

ΔH2—底鼓量，m，取0.1m;

K—碎脹系數，1.3-1.5;取1.3。

經計算，H縫=7m。綜合考慮到理論計算結果及頂板巖性情況，預裂切縫孔設計為？準48×8m;切縫孔距巷道主幫200mm，與鉛垂線夾角為10°，切縫孔間距為500mm。炮孔試驗參數及切縫布置詳見圖4、圖5。

3.4 回采支護設計及分析

根據礦井接續安排，501工作面計劃安裝ZY6800/11.5/2.4型支掩式支架，兩超前采用兩組ZQL2×3200/18/35超前支架支護頂板，超前支護距離39m，每循環移架距離為1.6m。從臨近501工作面的1001、1002工作面回采經驗分析，工作面、兩超前支護方式能夠滿足回采要求。沿空留巷頂板管理的難點是對留巷段頂板的維護和管理，主要分析如下：

①后巷支護距離確定。沿空留護巷的礦壓函數變量不僅是空間，而且還有時間變量，根據我國煤礦沿空留巷實踐經驗，沿空留巷礦壓分布規律如圖6所示。通過分析我們可以知道，沿空留巷的巷道頂板都要經受回采超前動壓、回采過程動壓以及老空頂板冒落后的動壓并逐漸趨于穩定的過程。根據切頂短壁梁理論，采用頂板“預裂切縫”技術后，切斷了頂板的壓力傳遞，將工作面頂板轉化為“切頂短壁梁”，預計工作面周期來壓的強度會減小、來壓步距會增大，沿空留巷超前段、滯后段巷道的底鼓、片幫現象會減弱，但受采動壓力距離和時間相對變長。根據礦壓觀測資料，礦井綜采工作面周期來壓步距一般在15-20m之間，結合瑞能煤礦實踐經驗分析，預計我礦采用110工法后綜采工作面周期來壓步距應在25-30m之間。根據沿空留巷的來壓規律和老空頂板冒落情況，我們可以將采面向后約120m巷道分為四個區段：

第一區段：正在冒落區段，位于工作面向后0-30m范圍巷道，受到工作面回采第一輪周期來壓的影響，工作面后方老空頂板處于正在冒落階段。第二區段：相對冒落度區段，位于工作面向后30-60m范圍巷道，受到工作面回采第二輪周期來壓的影響，局部沒有冒實的頂板繼續冒落，并逐漸壓實。第三區段：相對穩定區段，位于工作面向后60-90m范圍巷道，該段巷道已全部冒落、壓實，但受到工作面回采第三輪周期來壓的影響，巷道處于相對穩定階段，巷道幫部收斂、底鼓量進一步加大。第四區段：穩定區段，位于工作面向后90-120m范圍巷道，該段巷道受工作面回采周期來壓的影響較小，巷道壓力及收斂情況已基本區域穩定。根據以上分析，沿空留巷滯后段巷道至少要支護三個周期來壓步距，即支護距離不得少于90m。因我礦初次實施無煤柱開采，本次設計后巷支護距離為120m。

②后巷支護方式及參數。為保證后巷頂板支護安全和正常回采，我礦與沈陽天安科技股份有限公司合作，經過充分研究初步制定了沿空留巷的后巷支護方案。該方案對后巷采用擋矸液壓支架進行擋矸和支護，支護距離120m。支架布置在巷道兩側，每個支架獨立放置、不連接，支護寬度為3.96m。支架中間留有2.3m空間，隨工作面推進，采用履帶式支架搬運車對需要前移的支架進行搬運，支架兩側均設有擋矸板，用于留巷擋矸支護。搬移支架前須在主幫側掛10#鐵絲菱形網，鋪網時采用架前鋪網，網片緊貼3#端頭支架鋪設，頂板處采用尼龍繩與金屬網連接，幫部網片搭接寬度200mm，搭接處采用14#鐵絲扭結。擋矸液壓支架移過后，對留巷段巷道進行落底、整型，并對所留巷幫噴砼，噴砼厚度80-100mm，強度C20。后巷支護詳見圖7。

4 ?無煤柱開采災害治理方案

4.1 防治水方案

①采空區涌水影響評估。依據水文地質資料分析可知，501工作面對應上部地表無老窯區、無水庫，回采后采空區涌水主要來源為頂板含水層水，但回采后冒落帶、裂隙帶溝通直羅組砂巖含水層可能性較小，因此采空區涌水量較小，一般不超過20m3/h。但是由于501工作面直接底板以泥巖、砂質及炭質泥巖為主，厚度一般為2-6m，巖性松軟，遇水膨脹，易底鼓。且501運輸順槽作為回采期間的回風和留巷材料運輸通道，后巷積水、底鼓會對工作面回采安全和施工便利帶來不利影響。因此，必須及時處理后巷底鼓，并做好采空區涌水治理工作。

②頂板含水層直流電法物探及鉆探驗證。在501工作面回采前，應對其頂板進行直流電法物探及鉆探驗證，提前疏放含水異常區。采用直流電法物探在501進風順槽、501運輸順槽及切眼實施“U”型探查，采用10m的步距，對頂板向上105m范圍內的巖層進行探查，查明含水異常，劃分含水異常區域，分析含水層導通可能及充水通道;并且進行探放水工程設計，對含水異常區域進行驗證和預疏放。

③采空區涌水治理措施。采用沿空留巷工藝后，采空區水由于沒有煤柱的阻隔，會直接流（滲）至所留巷道內。針對501工作面對留巷段面和運輸路況的嚴格要求，應采取以下采空區涌水治理措施：一是在回采前在501運輸低點和可能涌水地點副幫側施工臨時水倉，完善排水系統和設施;二是對后巷穩定段巷道，落底后鋪設C20干拌料路面，并根據涌水情況在后巷內設置水溝和橫水溝，將水引至副幫側的水倉內;三是在501運輸順槽內鋪設一趟？準219應急排水管路，備用兩臺37kW水泵作為專用應急排水系統，要求排水能力不小于200m3/h;四是在巷道內備齊應急排水設施，出現緊急情況時可對巷道的供水、壓風管路改造，進行應急排水。

4.2 防滅火方案

工作面采用“Y”型通風方式后，采空區漏風范圍和漏風帶與“U”型通風方式不同，采空區漏風帶擴大，漏風風量增加。為防止回采過程采空區遺煤自燃，擬采取以下采空區自燃措施：一是在采空區預埋光纖和束管系統，在留巷段巷幫設置CO傳感器，加強火災標志性氣體的監測工作;二是在501進風順槽設備列車處設移動注氮車，并在501順槽內鋪設一趟注氮專用管路，在工作面正常回采過程中對采空區進行預防性注氮，抑制遺煤自燃;三是對尾巷墻體進行噴漿，減少采空區漏風;四是回采過程嚴格按規定對采空區及架間噴灑阻化劑，同時在設備列車配置移動注凝膠系統。工作面注氮系統示意詳見圖8。

4.3 粉塵防治方案

采用“Y”型通風方式后，501進順、501運順均為新鮮風流巷道，501運順尾巷為乏風巷道，工作面的割煤、落煤揚塵均進入尾巷，粉塵防治工作的重點為改善尾巷空氣質量。因此必須采用綜合防塵方案：一是完善消防、灑水系統，在501進順和運順各鋪設一趟4寸供水管路，管路每隔50m安設一個三通閥門，形成采面消防、灑水系統，并加強日常消塵、除塵管理;二是確保采煤機內外噴霧、架間噴霧完好，并在501進順、運順及尾巷分別安設凈化水幕;三是在501綜采面各運煤轉載點、溜煤眼均安設噴霧裝置，加強噴霧管理;四是在501進順、運順及尾巷內分別安設兩組隔爆水棚。

4.4 瓦斯防治方案

綜合考慮501工作面開采技術條件501工作面回采期間，擬采用本煤層邊采邊抽+底板3#煤瓦斯預抽+高位裂隙抽采+后巷采空區抽采的綜合措施治理瓦斯。

①本煤層預抽方案。在501運順掘進時，沿掘進方向距停采線向里60m處的巷道主幫施工第一個瓦斯抽采鉆場，之后每隔60m布置一個瓦斯抽采鉆場。在501運輸順槽里每個鉆場內共布置6個鉆孔，2個先抽后掘鉆孔（1#、2#孔），4個本煤層預抽鉆孔（3#、4#、5#、6#），另在501運輸順槽副幫（每個鉆場對面）施工2個掘前預抽孔（副1#、副2#）。所有鉆孔沿煤層布置，鉆孔開口離巷道底板1.4m，施工過程中根據煤層底板變化情況調整每一個鉆孔的仰角或俯角。詳見表1、圖9。

②底板3#煤瓦斯預抽。根據附近309、1001、619工作面回采實際情況，預計頂板1#煤層瓦斯含量在1.5m3/t左右，底板3#煤瓦斯含量在2.5m3/t左右。1#煤層距離2#煤層為22m左右，3#煤層距離2#煤層在6m左右。頂板1#煤層距離2#煤層遠，且位于可采煤層上方，在回采過程中可用高位鉆孔進行抽采。而底板3#煤層距離2#煤層近，且位于2#煤層的下方，在回采過程中3#煤層瓦斯勢必涌入到501工作面，對工作面瓦斯治理影響較大，因此必須對底板3#煤層瓦斯進行預抽。在501進風順槽、501運輸順槽的每個本煤層鉆場內施工3個底板3#煤瓦斯預抽鉆孔，鉆孔開口離巷道底板0.5m，使用千米鉆機施工鉆孔。詳見表2、圖10。

③高位裂隙抽采。在掘進期間，采用千米定向鉆機在501運輸順槽施工高位鉆孔，鉆孔施工至高位裂隙“關鍵層”沿煤層頂板近水平布置。高位裂隙抽采的首個鉆場位置在501運輸順槽正頭距回采線400m處，為1#鉆場，向外沿前進方向依次為2#、3#、4#鉆場，鉆場間距為400m。每個鉆場布置4個鉆孔，鉆孔設計深度600m，4個鉆孔水平間距15m，鉆孔呈平行布置。鉆孔水平覆蓋范圍為順槽中線向主幫內60m，鉆孔垂直覆蓋范圍為頂板向上20-35m。詳見表3、圖11。

④后巷采空區抽采。在后巷距工作面300-500m范圍內，利用螺旋鉆桿施工水平鉆孔，鉆孔設計深度20m，施工完成后安設閥門并連接抽采，根據采空區瓦斯溢出情況，適當控制閥門開關進行瓦斯抽采。

5 ?結語

無煤柱開采技術作為一種先進的地下開采技術，能夠合理開發煤炭資源、提高煤炭回收率、減少巷道掘進量，對改善礦井安全生產和提升礦井技術經濟指標有著重大的促進作用。本文以礦井實際工程地質條件為基礎，經充分論證提出了具體的無煤柱開采技術方案;并對實施無煤柱開采可能存在災害進行評估，制定了可靠的災害治理措施，對指導礦井下一步全面開展無煤柱開采時間具有重要指導意義。但應注意本技術方案均為理論方案，在實施過程中應加強現場監測和分析，不斷優化相關技術參數，確保實施過程安全高效進行。

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