李村礦井下無煤柱綜采作業的應用研究

謝永存

（山西潞安礦業集團有限公司李村煤礦，山西 長子 046600）

山西潞安礦業集團有限公司李村煤礦煤層頂板以砂巖為主，其煤巖的平均強度指數約為21MPa。基本頂主要是細砂巖，平均厚度約為17.2m，呈現出較為明顯的分層結構，在局部位置具有明顯的泥沙結構；直接頂主要是粉砂巖和泥巖的混合結構，平均厚度約為2.14m；直接底以泥巖為主并夾雜有一定量的中粒砂巖，平均厚度約為5.73m。在前期開采過程中主要采用預留煤柱的方案，導致井下煤炭的出采率較低，同時預留煤柱還容易導致巷道圍巖的應力集中，給綜采作業安全帶來隱患[1]，因此公司專門開展了無煤柱成巷綜采作業的研究，取得了極佳的效果。

1 無煤柱成巷工藝流程

李村煤礦井下無煤柱成巷工藝的總體流程為隨著綜采作業的進行，將巷道予以保留，作為下一個綜采作業面的通道使用，形成邊采、邊掘進、巷道預留的流程[2]。無煤柱成巷作業時綜采工作面和井下巷道平面布置結構如圖1所示。

圖1 井下綜采面與巷道平面布置結構示意圖

在進行無煤柱成巷作業時，首先沿著1201綜采面盤區的四周掘進一條能為整個盤區提供作業的巷道，以此作為該盤區完整的物料傳輸和風流交換系統。當在圖1中所示的i工作面時，可利用對井下三機一架配合關系的優化，滿足當采煤機在刮板輸送機的尾部綜采作業時越過刮板輸送機尾部形成弧形結構的巷幫，然后在采煤機采后區域的巷道頂板采用恒阻大變形錨索進行支護，并在綜采作業面的頭部進行頂板的定向切縫作業。在綜采作業擾動的作用下，在人工設置的定向切縫外側采空區域的頂板將在頂板來壓的作用下向著采空區域垮落，落下的煤矸石堆積在液壓支架后側形成碎石巷幫。

由于井下巷道頂板巖層具有一定的碎脹特性[3,4]，碎石巷幫的堆積高度將高于垮落前巖層的厚度。因此當巷道頂的基本頂發生垮塌并將下方松散的巖層壓實以后，該處的斷裂的巖塊和下側切頂巖層的組合體共同構成一個一側由垮落的煤矸石支護，另一側由弧形的巷幫支護的穩定結構體，最終在底部形成一個穩定的巷道支護結構。煤礦井下無煤柱成巷工作面回采和成巷機理如圖2所示。

圖2 井下綜采面回采及成巷原理

2 無煤柱成巷實踐

在1201綜采面設置4組恒阻錨索，巷道頂部巖層的重量約為25.9kN/m3，可計算出單位長度上的平均固定力約為326.8kN。為了確保對無煤柱巷道的保護效果，采用直徑為22.3mm的鋼絞線，其恒阻值約為366kN，滿足無煤柱巷道的支護要求。在進行無煤柱成巷施工的過程中，在工作面每推進一個采煤步距，就對巷道頂板進行一次恒阻錨索施工，錨索之間的排距維持在0.76m左右，同時其縱向采用W鋼帶進行銜接。

在無煤柱成巷的前期，需對巷道頂板進行臨時支護作業，在巷道靠近采空區的一側每隔3m設置一個液壓支架，額定工作阻力為50.2MPa，每個液壓支架的實體煤的兩側各設置一個單體支柱，并在液壓支架和支柱的頂部設置工字鋼進行加強支護，滿足無煤柱成巷時的支護可靠性。

當液壓支架隨著開采逐漸前移時，首先在巷道的前方設置一張鋼筋護網，同時在支護液壓支架的正下方對巷道的頂板實施錨索支護和定向爆破縫隙，使爆破縫隙位于巷道工作面的端頭位置，在兩個支架的頂梁之間，確保在實施爆破作業過程中頂板的穩定性。根據李村礦1201綜采工作面井下的實際情況，為了確保切縫的徹底性，在預設的爆破孔內設置16組長度為180mm、直徑為30mm的藥包，爆破后的縱向裂縫率可達94%，裂縫貫通效果顯著，井下爆破縫隙的擴展情況如圖3所示。

圖3 井下爆破縫隙情況

3 無煤柱成巷應用效果

1201綜采作業面長度為264m，整個綜采作業面的走向長度約為2173m，煤層賦存的穩定性較好，其煤層平均厚度4.21m，煤層硬度系數約為2.5，煤層的深度在110～155m之間，傾角約為1.56°。

在進行切縫設置時，同時在井下采空區進行恒阻大變形錨索主動支護和井下切頂護幫支護，其支護效果如圖4所示。

根據實際驗證，當綜采作業面推進距離超過200m后，煤礦巷道頂板的下沉量基本穩定在50mm左右，此時對切頂護幫的應用支架進行回撤，巷道頂板在短時間內出現了一次下沉，最終巷道頂板的下沉量維持在了約65mm左右，完全滿足下一個作業面綜采作業需求。

圖4 綜采面無煤柱成巷效果

4 結論

（1）無煤柱成巷的流程為隨著綜采作業的進行，將巷道予以保留，將其作為下一個綜采作業面的通道使用；

（2）開采過程中的碎石幫是通過采空區域頂板沿著切割縫垮落而形成的，因此無煤柱成巷的關鍵就在于對碎石巷幫和巷道頂板穩定性的控制；

（3）根據在李村礦的實際應用，在12個月的作業時間內，煤炭回采增加了約25萬t，產生的直接經濟效益約為8850萬元。