榆樹泉煤礦厚煤層不易冒落頂板自成巷關鍵技術研究及應用

趙飛

庫車縣科興煤炭實業有限責任公司 新疆 庫車 842000

引言

傳統的長壁工作面在回采的過程中兩個工作面之間需要留設一定寬度的保護煤柱，用以保證一個工作面回采結束后另一個工作面順槽受力穩定，降低采動造成的影響。隨著國內煤炭資源的減少，一些回采時間較長的礦井，開采深度逐年增加，切頂卸壓無煤柱自成巷技術，只需掘進1條順槽巷道，借力打力，另1條巷道通過切頂卸壓自動成巷，工作面由“跳采”變為連續開采，實現了真正的無煤柱開采。河南能源新疆公司榆樹泉煤礦采用切頂卸壓無煤柱自成巷技術進行現場試驗。

榆樹泉煤礦于2019年1月24日由河南能源化工集團以控股方式正式接管，現隸屬于河南能源化工集團。礦井井田東西長5.5~6.7km，南北寬1.79~2.61km，設計生產能力為0.9Mt/a，榆樹泉煤礦目前采用的留煤柱開采方式，區段煤柱30m[1]?？紤]到下10煤為稀有煤種，資源儲量稀少，煤炭需求量大；且下10煤頂底板巖性堅硬，工作面推進過后，頂板不易垮落，塊體較大，現有的留煤柱開采方式存在圍巖應力集中、降低萬噸掘進率和煤炭資源浪費等問題，迫切需要采用國內先進的無煤柱開采技術，實現礦井的安全穩定生產。河南能源新疆公司選擇榆樹泉礦煤礦作為新技術推廣的試點單位，為煤礦提供了科研技術支持和資金保障，通過積極與中國礦業大學（北京）深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室聯合，通過現場考察，最終選擇1014工作面作為首個試驗工作面。項目的實施也有助于降低萬噸掘進率、提高資源回收率和降低安全災害等問題，同時實現無煤柱開采。

1 工程地質情況

榆樹泉煤礦1014回采工作面是2019年1月24日河南能源接管后回采的第一個綜采工作面，接管時該工作面上下順槽平均剩余長度1682m，工作面切眼長度175m，軌道順槽剩余長度1727m，皮帶順槽剩余長度1638m[2]。工作面自西向東煤層傾角逐漸變小，傾角多在9～16°之間，平均傾角12°，煤厚3.6～4.5m，平均煤厚4.05m，煤質松、脆且裂隙發育，煤塵具有爆炸危險性，下10煤層屬Ⅱ類自燃煤層，但礦井自建井以來在實際生產過程中，沒有出現過煤層自燃或煤塵爆炸現象，因此煤自燃危險對工作面回采不構成威脅。

2 切頂卸壓無煤柱自成巷關鍵技術及方案設計

1014回采工作面上順槽無煤柱自成巷項目設計采用“長短孔爆破切頂卸壓+33t恒阻錨索支護+單體支柱π型梁支護+36U鋼擋矸支護”為主體的方案，通過在工作面超前外，提前切頂卸壓爆破，切斷頂板之間的壓力傳導，降低工作面頂板對煤柱的壓力，保證頂板完整性，利用恒阻錨索、單體支柱π型量對留巷巷道進行補強支護，減少頂板下沉，利用碎漲圍巖充填發揮巷道自身承載作用，最后利用36U型鋼進行支撐擋矸，保證工作面留巷效果[3]。

2.1 恒阻大變形錨索加強支護

1014軌道順槽設計為矩形斷面，巷道斷面設計凈寬4.6m，凈高3.3m，右幫沿底板掘進，凈斷面15.18m2，頂部為18×1800mm螺紋鋼錨桿配合1300×2400mm的鋼筋網支護，間排距1000×1200mm，幫部為桿16×1600mm玻璃鋼錨桿配合3×15m的塑編網支護，間排距1200×1200mm。

無煤柱自成巷在成巷過程中，成巷側要承受三次頂板變形造成的影響，首先是切縫爆破時產生的應力影響，其次是工作面回采后，煤層上覆巖石的動壓影響，最后是成巷穩定過程中頂板的緩慢下沉。傳統錨索支護僅能承受1次圍巖變形，且變形量有限，當錨索達到拉伸極限時，錨索破斷失效。而采用恒阻大變形錨索既能滿足圍巖變形，又能有效控制圍巖變形的損傷，因此能夠很好地解決并應對以上的問題。

為了確保1014綜采工作面爆破預裂切縫過程和工作面回采期間頂板周期來壓時成巷巷道頂板的穩定性，需要在超前工作面切眼60m范圍外采用恒阻錨索對頂板進行支護。為保證恒阻錨索能夠正常起到支護作用，避免爆破切縫影響，恒阻錨索設計長度為12.3m。1014軌道順槽共計布設兩列恒阻大變形錨索，施工的第一列錨索距離煤柱側4100mm，排距1000mm，錨索間使用5mm厚W鋼帶連接，錨索托盤規格300×300mm×16mm，托盤孔直徑100mm；第二列恒阻錨索距離回采側2300mm位置布置，排距2500mm，與第一列恒阻錨索插花布置，錨索繩直徑為21.8mm，恒阻器恒阻值為330±20KN，預緊力不小于280KN。

2.2 頂板預裂切縫參數設計

頂板預裂切縫采用雙向聚能管爆破，爆破后利用工作面頂板巖石碎漲將采空區填滿，碎漲充填后的巖石對頂板起支撐作用，同時利用36U型鋼擋矸使用碎漲巖石自然形成巷道一幫，合理的鉆孔深度通過如下方式確定：

式中：Hk為切縫高度，m；M為煤層開采厚度，取4.0m；Kp為巖層的碎脹系數，通過經驗類比取1.4。

經過公示（1）在不考慮底臌及頂板下沉的情況下，合理的切縫高度應該取10m。

根據工程經驗與巖層自然跨落角綜合考慮，設計頂板預裂鉆孔施工距回采幫煤壁100mm，與鉛垂線夾角為15°（傾向采空區側），同時針對工作面頂板較堅硬，10m切縫孔爆破后封泥段可能造成裂隙率低，封泥段無法正常切割分開，因此采用10m與2.5m，長短鉆孔交替布置，鉆孔間距500mm。

2.3 切縫爆破參數確定

根據以往經驗結合榆樹泉煤礦現場實驗情況，確定切縫爆破參數如下：在每個10m深切縫孔內安裝8m長聚能管，封泥長度2m，2.5m深切縫孔內安裝1.5m長聚能管，封泥長度1m，聚能管外徑為42mm、內徑為36.5mm，10m深切縫孔內使用5根雷管并接引線，2.5m深切縫孔內使用1根雷管并接引線，采用三級煤礦乳化炸藥，規格為直徑Φ30mm×300mm/卷，10m深切縫孔使用乳化炸藥16卷，2.5m深切縫孔使用乳化炸藥2卷。

根據榆樹泉煤礦1014回采工作面軌道順槽頂板巖石及支護參數實際情況，結合其他礦井超前預裂爆破經驗參數，該工作面軌道順槽按照超前工作面60m進行預裂切縫爆破。

2.4 留巷段巷道支護及擋矸支護設計

根據礦井條件，在滯后工作面切眼200m巷道內進行臨時支護，臨時支護主要采用“單體柱+π型梁”進行頂板臨時支護。1014軌道順槽留巷段共設計5列單體柱，設計的第1列單體支柱距回采側巷幫300mm，第2列單體支柱距回采側巷幫800mm，第3列單體支柱距回采側巷幫1600mm，第4列單體支柱距回采側巷幫3200mm，第五列單體支柱距第4列單體支柱800mm，單體支柱排距均為1000mm，如遇頂板巖性發生變化，可適當調整間排距為600mm或800mm。

為確保切縫后采空區側矸石不竄入巷道內，在靠近采空區側，先鋪設一層鐵絲網，采用14#鐵絲將鐵絲網與頂部鋼筋網片連接，再鋪設一層風筒布蓋嚴，再架設一層鋼筋網，鋼筋網片之間壓差不少于100mm，后架設U型鋼，用14#鐵絲將鐵絲網、風筒布、鋼筋網連接捆扎，間距300~400mm。為防止工作面漏風造成采空區發生煤炭自燃現象，特需在機頭機尾位置打設風障防止向采空區漏風，根據現場實際情況風障可延伸10架范圍。

可縮U型鋼結構采用長度為2500mm的兩根U型鋼組合而成，兩根U型鋼搭接部分采用兩個卡纜固定，上下卡纜距離U型鋼搭重疊處上下200mm，卡纜連接螺母扭矩為100N·m，相鄰U型鋼卡纜之間通過連桿連接，拉桿選用16mm鋼板加工而成[4]。

可縮U型鋼間距500mm，U型鋼頂部頂到巷道頂板，底部埋入深度不小于300mm的柱窩進行固定，柱窩大小以能放入U型鋼為宜。在U型鋼架好后，及時在U型鋼頂部及腰部橫向架設一根長度為4.5m的π型鋼梁作為頂部固定，同時沿每個U型鋼頂部及腰部斜戧一根單體柱，戧柱頂在橫向π型鋼梁上，用以加強每個U型鋼抵擋矸石沖擊的能力。

待工作面推進后，滯后工作面切眼200m外為成巷穩定區，對臨時支護的單體柱、π型梁進行拆除，僅保留擋矸U型鋼和擋矸網。現場應用如圖1所示。

圖1 現場U型鋼卡攬及掛風筒布效果圖

3 成巷效果分析

目前，通過現場無煤柱自成巷開采技術的應用，在工作面回采礦山壓力的自身作用下，采空區頂板能夠及時垮落，垮落的自成巷幫成型良好，留巷施工順利完成[5]。在1014工作面軌道順槽采用切頂卸壓無煤柱自成巷新技術后，進行現場的在線監測和人工監測，通過監測數據統計分析表明，1014工作面軌道順槽成巷段的巷道高度變形量在200~600mm之間，巷道寬度變形量在0~300mm之間，單體支柱所受最大應力23.7MPa，頂板最大離層量30mm，擋矸側壓力平均2MPa，達到礦井進行安全生產的要求。切頂卸壓無煤柱自成巷已在1014工作面實施并取得了良好的效果，采用長短孔爆破切頂卸壓自動成巷技術實現了無煤柱開采，進一步提高了煤炭資源回收率，解決采掘接替緊張問題，同時為礦區其他類似條件工作面應用提供了經驗。

另外該項目為榆樹泉礦首個切頂卸壓自成巷無煤柱開采技術研究的項目，填補了該項技術在榆樹泉礦的空白。榆樹泉礦頂板堅硬、采高大和服務年限長，項目研究成果可作為該礦類似條件下采用切頂卸壓自成巷技術借鑒，對整個新疆礦區以及全國礦區的推廣具有深遠的意義。