無煤柱自成巷技術在凌志達礦15501工作面的應用

趙 杰

（山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046606）

0 引言

目前，傳統粗放型、低技術水平的煤炭開采方式已經無法適應當今社會經濟發展，嚴重制約著礦井安全高效生產的實現。近些年以來，隨著煤炭工業的不斷進步，無煤柱自成巷技術成為取代傳統煤炭開采方式一項革命性技術，該項技術將傳統的“一面兩巷”采掘方式變為“一面一巷”的采掘方式，不僅少掘一條巷道，節省了回采巷道掘進時間，還能夠提升資源回收率，實現礦井可持續發展，并且已經逐步應用到全國不同類型的礦井實踐當中。因此，本文以凌志達礦首先應用無煤柱自成巷技術的15501工作面為研究對象，根據工作面實際地質條件，對具體應用方案進行設計研究。

1 無煤柱自成巷技術

無煤柱自成巷技術，也就是110工法，是以何滿潮院士提出的切頂短臂梁理論發展起來的一項革命性采煤方法。以高預應力恒阻大變形錨索補強頂板支護、控制頂板變形下沉、充分發揮頂板整體承載作用作為基礎前提，工作面推進方向上在預留順槽巷道回采幫頂板進行預裂切縫作業，以達到減小巷道頂板懸臂梁結構長度，從而形成巷道頂板短臂梁結構的目的，從而實現導向性地阻斷頂板應力傳導，減輕巷道圍巖受工作面采動影響的程度。在工作面推進過巷道該段位置之后，工作面頂板能夠沿著預裂切縫隨采隨落，采空區可以被碎脹后的矸石所充填，再利用布置于巷道回采幫的擋矸支護來保證留巷的完整性，實現將傳統的“一面兩巷”采掘方式變為“一面一巷”的采掘方式，最終達到實現的無煤柱開采的目的，其技術原理如圖1所示。

圖1 無煤柱自成巷技術原理示意圖

無煤柱自成巷技術是一次煤炭工業領域革命性創新技術，可以避免因留設煤柱所造成的煤炭資源浪費，減少順槽巷道掘進工程，從而實現礦井的安全高效生產，具有顯著的經濟技術效益，目前該技術已經推廣到國內160多個礦井當中，并且使不同礦井條件也越來越廣泛。

2 15501工作面概況

凌志達煤業15501工作面走向長度2 800 m，傾向長度200 m，15號煤層厚度3.34～4.87 m，平均4.105 m，煤層產狀平緩，煤層最大傾角9°～11°，局部含2～3層矸石，厚約0.2 m，煤種屬無煙煤。其運輸順槽長度為2 750 m，計劃將無煤柱自成巷技術首先應用于該條順槽巷道，以實現該條順槽巷道可以為下一工作面繼續服務，從而達到無煤柱開采的目的。工作面頂底板巖性見表1。

表1 15501工作面頂底板巖性情況表

15501工作面兩順槽設計為矩形斷面，巷道凈斷面為5 000 mm×4 000 mm（寬×高），采用錨網索支護。巷道頂板安裝規格為φ20 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 200 mm；巷道中線安裝規格為φ17.8 mm×5 300 mm的鋼絞線錨索，排距為2 400 mm；回采幫安裝規格為φ20 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，煤柱幫安裝規格為φ20 mm×2 000 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 200 mm。巷道原支護方式如圖2所示。

圖2 順槽巷道原支護方式示意圖

3 無煤柱自成巷技術應用

根據無煤柱自成巷技術的“切頂卸壓+恒阻大變形錨索支護”特點，結合工作面實際地質條件情況，15501工作面應用無煤柱自成巷技術的具體方案主要包括以下4個方面：

3.1 頂板預裂切縫設計方案

基于巖體自身抗拉性能較弱的特點，通過雙向聚能爆破預裂方法可以實現炮孔設定方向上具有拉應力集中的良好效果，可以實現巖體按照預先設定方向被爆破拉裂成型的目的。預裂切縫鉆孔深度可以通過下述公式（1）進行計算：

式中：Hm為工作面采高，m；ΔH1為巷道頂板下沉量，m；ΔH2為巷道底板底臌量，m；k為巖體碎脹系數，取值范圍1.3～1.5。

巷道頂板主要為厚層灰巖，頂板堅硬，回采后采空區頂板煤巖體碎脹系數k取1.35。根據巷道掘進資料顯示，工作面煤厚變化不大，巷道頂底板移近量（ΔH1+ΔH2）取200 mm。工作面采高H煤取平均煤厚4.1 m。將上述各項參數代入公式1計算得H縫=11.1 m，因此切縫深度取12 m。切縫孔布置巷道回采幫邊緣處，間距為500 mm，角度為15°。

3.2 厚層堅硬石灰巖頂板弱化方案

根據工作面頂板上覆巖層特性，必須采用深孔爆破弱化處理方案來阻斷厚層堅硬石灰巖的應力傳導，才能使其及時垮落從而達到避免頂板懸頂面積大，進而取得良好留巷效果。根據目前礦井工程實踐經驗，爆破孔直徑75 mm，深度分別取14、16 m，角度分別取30°、45°，封孔長度取4 m。爆破孔位于正幫頂角下方500 mm和1 000 mm處，孔間距5 m。

3.3 恒阻大變形錨索設計方案

在對預留巷道頂板實施預裂切縫之前，通過高預應力恒阻大變形錨索補強頂板支護，充分發揮巷道頂板自身承載作用，控制巷道頂板圍巖因工作面采動而發生變形垮落。恒阻錨索長度Lms可以通過下述公式（2）進行計算：

根據上述Hf計算結果，并且結合巷道頂板巖層特性，需要將錨索錨固到頂板較穩定的層位當中，因此確定錨索長度為13.3 m。恒阻大變形錨索具體布置方案如下：采用規格為φ21.8 mm×13 300 mm的高預應力恒阻大變形錨索，恒阻器長度、外徑分別為500、72 mm，恒阻值為33±2 t，預緊力≥25 t。垂直于巷道頂板打設，靠回采幫為第1列恒阻錨索，與回采幫的距離為500 mm，該列恒阻錨索排距為1 000 mm；與第1列恒阻錨索間距1 750 mm打設第2列錨索，該列恒阻錨索排距為2 400 mm；第3列恒阻錨索與第2列恒阻錨索間距也為1 750 mm，該列恒阻錨索排距也為2 400 mm。順槽切縫、深孔爆破鉆孔及恒阻錨索布置如圖3所示。

圖3 順槽切縫、深孔爆破鉆孔及恒阻錨索布置示意圖

3.4 巷道臨時支護設計方案

由于在工作面回采過程當中，預留巷道不同位置所處應力情況不盡相同。因此，結合其他礦井無煤柱自成巷技術應用情況，制定出15501工作面運輸順槽臨時支護設計方案，主要分區如圖4所示。

圖4 順槽巷道不同位置臨時支護示意圖

1）超前支護區（前30 m范圍內）。該部分巷道處于工作面超前采動影響區域當中，需要采取補強臨時支護的方式，設計采用單體液壓支柱配合長度為3.2 m的π型鋼梁架設橫向梁，排距為1 m。

2）架后臨時支護區（架后0～250 m）。該部分巷道處于工作面超后采動影響區域當中，采空區應力較大，破碎垮落煤巖體會對巷道頂板產生摩擦。設計采用門式支架的臨時支護方式，門式支架排距1 m。

3）成巷穩定區（架后250 m之后）。該部分巷道圍巖較為穩定，所受應力較小且變化不大，可以撤出臨時支護設施并采用保U型可縮支架配合鋼筋網實施擋矸支護。U型可縮支架長度設計為3 m，可按照現場實際巷道高度進行適時調整，埋入底板深度不小于200 mm，配合上下2套卡蘭，搭接長度不小于1.5 m，排距500 mm，相鄰U型可縮支架采用連接板連接牢固。鋼筋網采用φ6.5 mm鋼焊接成1 800 mm×1100 mm的金屬網。擋矸支護如圖5所示。

圖5 擋矸支護示意圖

4 無煤柱自成巷技術施工過程

15501運輸順槽恒阻錨索加固及切頂卸壓總體施工過程如下：

1）恒阻錨索加強支護。在工作面開采至少超前100 m時，按照上述設計參數施工恒阻大變形錨索補強巷道頂板支護。

2）石灰巖頂板深孔預裂與預裂切縫爆破。在工作面開采至少超前50 m時，按照上述設計參數實施爆破作業。單根聚能管長度為1.5 m，設計每個爆破孔裝設6根聚能管。并在恒阻錨索超前加固不小于20 m時，沿著工作面推進方向上實施一次性起爆頂板預裂切縫爆破作業。

3）架后擋矸支護。巷道設計采用門式支架臨時支護，撤出臨時支護后及時進行擋矸支護。為避免出現漏風情況，將U型可縮支架與鋼筋網之間鋪設風筒布，搭接寬度30 cm，上下各超出30 cm，風筒布超出部分與巷道頂底板固定牢靠。

4）噴漿。在巷道圍巖情況和頂底板移近量穩定之后，對頂板垮落不充分區域實施噴漿充填，噴漿厚度不小于100 mm，以保證下一個工作面使用需要。

5 無煤柱自成巷技術應用效果

現場施工及成巷效果如圖6所示。

圖6 現場施工及成巷效果

15501工作面留巷2 750 m，少掘巷道2 800 m（包括系統巷道50 m），不采用110工法留巷時，掘巷成本目前約8 500元/m，留巷概算成本為8 000元/m。留巷效益180萬元；按照原先需要留設20 m煤柱，15號煤平均煤厚4.1 m；容重1.40 t/m3進行計算，采用無煤柱自成巷技術留巷2 750 m，工作面大約可多回收資源31.57萬t，目前噸煤售價500元/t，折合15 785萬元。因此，應用無煤柱自成巷技術后，僅15501工作面就可多產生經濟效益15 965萬元。

6 結語

無煤柱自成巷技術在凌志達煤業15501工作面成功應用后，不僅可以減少回采巷道掘進工程，從而保障礦井采掘銜接，并且還能夠大幅提升資源回收率，從而實現礦井可持續發展，對于將無煤柱自成巷技術推廣到該礦其他工作面具有積極的實踐意義。