薄煤層無煤柱自成巷110工法技術應用研究

李 博

（山西忻州神達能源集團有限公司 山西 忻州 034000）

0 工程概況

該礦井設計規模為120萬t/a，礦井許可開采標高+980 m～+620 m，煤層平均傾角3°～5°。其中11215回采工作面走向長575 m，傾斜長157 m。地面標高：+1 024 m～+1 074 m，井下標高：+718 m～+735 m，煤層埋深：289 m～356 m，煤層厚度1.53 m～1.61 m，平均1.57 m，煤層頂板為砂巖及泥巖、底板為泥巖，煤層平均傾角3°～5°，煤層產狀較平緩。煤層呈單斜構造，地質條件簡單，斷裂構造不發育。

1 方案設計

原巷道斷面為矩形斷面，掘進斷面規格：5 000 mm×2 600 mm,采用錨網支護，頂部打設4根?18 mm×2 000 mm右旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂錨桿間排距為1 200 mm×1 000 mm，兩幫各打設2根?18 mm×1 500 mm螺紋鋼錨桿，幫錨桿間排距為1 200 mm×1 000 mm，巷道全斷面錨網支護，錨桿為矩形布置。施工過程中如遇地質構造等情況需要對頂板加固時，進行錨索補強支護，錨索間排距為2 400 mm×3 000 mm。

本方案采用以“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護+巷道臨時支護”為主體的設計方案，通過預裂切縫爆破，在局部范圍切斷工作面頂板應力傳遞，減弱巷道頂板壓力，且預裂爆破能夠很好地保護巷道頂板完整性。利用恒阻大變形錨索進行補強加固，控制頂板下沉，使所留巷道圍巖能夠最大限度地發揮自身承載作用，減少巷道變形，保證留巷效果。工作面推進過程中，所留巷道會受到動壓影響，需要對所留巷道采取相應的支護措施。

1.1 恒阻大變形錨索設計方案

為了保證切頂過程和周期來壓期間巷道的穩定性，在對巷道頂板進行預裂切頂前采用恒阻大變形錨索補強加固，確保恒阻大變形錨索超前加固距離大于等于20 m。恒阻大變形錨索鋼絞線直徑為21.8 mm，長度為7 300 mm，恒阻器長500 mm，外徑79 mm，最大允許變形量350 mm，預緊力不小于28 t，托盤規格300 mm×300 mm×16 mm，中間擴孔直徑100 mm。恒阻大變形錨索垂直于頂板方向布置，共布設2列，切縫側恒阻錨索距切縫線500 mm，排距1 000 mm；第二列恒阻錨索布置在巷道中線位置，排距2 000 mm。其中，切縫側每3根恒阻錨索使用W鋼帶進行連接，以提高頂板的整體強度。恒阻錨索支護設計方案如下圖所示。

圖1 恒阻錨索支護設計示意圖（單位：mm）

圖2 恒阻錨索支護設計平面示意圖（單位：mm）

1.2 頂板預裂切縫設計方案

采用雙向聚能爆破預裂技術，將特定規格的炸藥裝在兩個設定方向有聚能效應的聚能裝置中，炸藥起爆后，炮孔圍巖在非設定方向上均勻受壓，而在設定方向上集中受拉，依靠巖石抗壓怕拉的特性，使巖石按設定方向拉裂成型，從而實現被爆破體按設定方向張拉斷裂成型。其中切縫孔距巷道正幫設計為200 mm，與鉛垂線夾角為15°，切縫孔間距為0.5 m。雙向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外徑為42 mm，內徑為36.5 mm，管長1 500 mm。聚能爆破采用煤礦三級乳化炸藥，藥卷規格為?35 mm×200 mm/卷，單孔6卷。

1.3 巷道臨時支護設計方案

工作面推進過程中，不同位置巷道受采動影響不同。工作面超前段會受到超前壓力的影響。工作面開采后，頂板開始垮落，且從垮落到穩定需要一定的時間，因此距工作面較近的架后區域不僅需要進行頂板支護，還需進行擋矸支護。隨著工作面繼續推進，當巷道距工作面較遠時，頂板運動基本會趨于穩定，此時可將架后用于臨時支護的設備撤掉，只進行擋矸支護即可。根據以往現場監測數據，將工作面附近巷道劃分為三個區：超前支護區（工作面前方30 m），超后臨時支護區（架后0 m～200 m，具體范圍需要根據礦壓監測結果確定）和成巷穩定區（架后200 m之后），不同分區根據需要采取不同的支護措施，分區如下圖所示。

圖3 巷道不同位置臨時支護示意圖

1.3.1 超前支護區

此段巷道位于工作面超前采動影響區，巷道頂板壓力較大，因此需要超前加強支護。設計超前支護采用恒阻大變形錨索設計方案。

1.3.2 超后臨時支護區（架后0 m～200 m）

此段巷道位于工作面超后影響區，受動壓影響明顯，巷道頂板壓力較大?？紤]到井下實際情況，架后臨時支護采用單體液壓支柱+π型梁+U型鋼+鋼筋網的聯合支護形式。頂板加強支護采用單體支柱和π型梁進行，π型梁垂直巷道走向支設，排距1 000 mm，每排布置4根單體。為了防止采空區的矸石竄入巷道，同時需要擋矸支護。擋矸支護采用可縮U型鋼，相鄰U型鋼之間的距離為500 mm，U型鋼位于切縫位置。

1.3.3 成巷穩定區（架后200 m之后）

此段巷道受采動影響很小，頂板下沉量及單體支柱的壓力變化也很小，可認為該區域已趨于穩定狀態，可將臨時支護的單體撤掉，只保留U型鋼和鋼筋網進行擋矸。

2 監測方案設計

采用切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術后，需要對巷道及工作面的變形及受力情況進行監測，以便制定進一步措施。其中對工作面的監測主要是對液壓支架的受力進行監測，靠近切縫側的40個支架每5架布置一個測點，工作面其余位置每10架布置一個測點。

巷道內主要對恒阻錨索和單體支柱（或超后支架的受力和變形設點監測。距留巷開始位置200 m范圍內每20 m布置一個測站，液壓支柱（或超后支架）測點布置與恒阻錨索的測點布置盡量保持一致，有利于以后綜合分析，隨后每隔50 m布置一個測站。測站布置如下圖所示。

圖4 測站布置示意圖

要定時對觀測數據做好記錄，及時整理，并根據觀測結果提出相關建議。每天觀測記錄及分析應及時上報有關人員便于及時調整參數并采取相應的安全技術措施。

3 應用效果

通過對現場進行監測及數據分析，該工作面在推進過程中錨索受力變化不大，基本趨于小幅度變化并趨于穩定狀態，頂板離層變化在±50 mm范圍內。采前和采后頂板至軌道面距離基本變化不大，最大距離控制在30 mm左右。在工作面推進過程中，采煤工作面前方20 m左右超前支撐壓力開始顯現，后方30 m左右采后壓力開始趨于穩定，通過對支架受力狀態分析，溜尾處支架受力基本處在恒定范圍內，說明工作面進風順槽切頂后，工作面頂板冒落及時。現場的實際應用證明無煤柱開采在本礦實現了高產高效的目標，也從根本上解決了因為留設煤柱帶來的煤柱自然發火、應力集中引起的順槽巷道難維護等難題。

4 結語

薄煤層無煤柱自成巷110工法技術在該礦的預算成本為1 884元/m，原有巷道成巷預算為4 400元/m。由此可見，采用該技術可以取得顯著的經濟效益，對于進一步降本增效、提高回收率有很大的促進作用。