煤礦無煤柱自動(dòng)成巷掘進(jìn)技術(shù)研究

崔學(xué)廣

（大同煤礦集團(tuán)王村煤業(yè)公司， 山西 大同 037003）

引言

隨著社會(huì)發(fā)展，煤礦綜合采礦設(shè)備自動(dòng)化水平也逐步提高，隨之而來的是綜合采礦作業(yè)中巷道開挖的速度問題嚴(yán)重阻礙了煤炭開采效率和經(jīng)濟(jì)效率的提升。目前，成熟的煤礦巷道掘進(jìn)計(jì)劃主要是先采掘采煤巷道，然后在巷道中預(yù)留大量支撐煤柱，通過各預(yù)留的煤柱在井下巷道形成一個(gè)連續(xù)的“傳遞巖梁”。但是，隨著綜合開采技術(shù)的不斷提高，帶來的巷道開挖量大、煤柱周圍的應(yīng)力集中等問題容易引起垮落現(xiàn)象，并且這些缺陷隨著時(shí)間推移更加凸顯，導(dǎo)致煤礦綜合開采效率受到了嚴(yán)重制約。因此，本研究基于煤礦開采的實(shí)際案例，提出了無煤柱自動(dòng)成巷掘進(jìn)的新技術(shù)。該項(xiàng)新技術(shù)以定向切縫技術(shù)為核心，即通過切縫這種人為的方式分離開巷道和采空區(qū)的頂板巷道，以增強(qiáng)采空區(qū)頂板壓力波動(dòng)巷道頂板穩(wěn)定性。通過撤銷煤柱支護(hù)，直接開設(shè)井下切頂護(hù)幫支架支護(hù)來保障巷道頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜采作業(yè)過程中，引入該項(xiàng)技術(shù)的好處在于減少掘進(jìn)量且無需預(yù)先設(shè)置采煤巷道，但同時(shí)還能提高井下掘進(jìn)效率和煤炭回采率，增強(qiáng)巷道頂板的穩(wěn)定性，因此在實(shí)際采礦應(yīng)用中取得了良好的效果[1-2]。

1 定向切縫技術(shù)

無煤柱自動(dòng)成巷掘進(jìn)技術(shù)以定向切縫技術(shù)為核心，并且巷道頂板在綜合開采過程中的穩(wěn)定與否會(huì)直接受到礦下頂板定向切縫的影響。該項(xiàng)技術(shù)的主要原理在于通過切縫來使得巷道和采空區(qū)頂板巷道分開，從而使得巷道頂板更加穩(wěn)定。

在常見的煤礦開采作業(yè)過程中，為保證頂板的穩(wěn)定性，通常都是采用給予頂板一個(gè)較大力支撐的方式來進(jìn)行操作，即將支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置在井下巷道中采空區(qū)的某一側(cè)。但通過前文中的分析可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際煤礦綜合開采過程中，非穩(wěn)定區(qū)域的巖層容易受到外界力量的影響而產(chǎn)生較大變動(dòng)，即塌落現(xiàn)象的產(chǎn)生，更為嚴(yán)重的是這些不穩(wěn)定的塌落區(qū)域不斷疊加等形成了堅(jiān)硬的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，如此龐大的“砌體梁”結(jié)構(gòu)在形成過程中又不間斷地向巷道施壓，與底部直接相接觸發(fā)展成為穩(wěn)定的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

頂板定向切縫技術(shù)也要根據(jù)礦下實(shí)際情況來進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，首先開設(shè)一條切割縫使得頂板和采空區(qū)分離，同時(shí)巷道的基本頂和直接頂也被分開，以減少處于懸空狀態(tài)那側(cè)的懸臂長度，然后采空區(qū)外面一側(cè)會(huì)受到頂板礦壓波動(dòng)的影響，從而發(fā)生塌落并直接進(jìn)入采空區(qū)，填充成堅(jiān)實(shí)的墊層結(jié)構(gòu)。圖1 展示了定向切縫下的作業(yè)結(jié)構(gòu)和實(shí)際過程。

圖1 頂板定向切縫作用下頂板斷裂結(jié)構(gòu)示意圖

2 切頂卸壓成巷工藝流程

該工藝的具體流程如下：首先進(jìn)行超前的補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，然后進(jìn)行爆破與切縫，對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)與擋桿，再進(jìn)行切頂成巷，最后對(duì)采空區(qū)進(jìn)行噴漿密閉。

2.1 超前補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)

補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)所采取的措施大多為恒阻大變形錨索，可以依據(jù)相關(guān)的圖紙來設(shè)置錨索，例如在其頂板處可以設(shè)置3 排錨索，其長度與直徑分別為12.30 m和21.80 mm。第一排的錨索與留巷幫保持600 mm的距離，并且設(shè)置1 000 mm 的間距；第二排與第一排保持1 000 mm，兩排錨索的間距為2 000 mm，其與頂板相互垂直，托盤的類型為平托盤，其規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm；第三排與第二排保持1 700 mm 的距離，其間距為2 000 mm，與頂板之間形成了75°的夾角。第一排的錨索使用W 鋼帶進(jìn)行連接。圖2 所示為恒阻錨索支護(hù)的構(gòu)造圖。

圖2 恒阻錨索的支護(hù)圖（未標(biāo)單位：mm）

2.2 爆破切縫

切縫在爆破的時(shí)候采取了專用的鉆機(jī)來進(jìn)行施工，與巷幫的距離為0.2 m，眼距為0.5 m，炮眼的直徑、深度和傾角分別為52 mm、10 m 和15°，藥量的裝載量為14 根藥卷，每一孔需要設(shè)置六個(gè)聚能管，封泥保持2.5 m 的長度，采取四連孔、間隔孔的形式來進(jìn)行爆破，每次會(huì)有8 個(gè)爆破孔會(huì)被起爆。

2.3 巷道支護(hù)及擋研

基于現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，巷道不存在均勻的壓力分布，根據(jù)巷道的受力情況將其劃分為三個(gè)區(qū)域：一是超前應(yīng)力區(qū)，在這一區(qū)域之內(nèi)，作業(yè)面的采動(dòng)將會(huì)對(duì)作業(yè)面產(chǎn)生較大的影響，穩(wěn)定性極差；二是巷道的維護(hù)區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，巷道不會(huì)出現(xiàn)較大的受力，圍巖發(fā)生的變形問題也將逐漸穩(wěn)定；三是穩(wěn)定區(qū)，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，巷道基本成型，圍巖的受力及變形問題也基本趨于穩(wěn)定。在對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)的時(shí)候，可以依據(jù)上述三個(gè)區(qū)域存在的受力狀況來采取不同的支護(hù)方法，例如：

1）超前支護(hù)區(qū)。該區(qū)域采取的支護(hù)模式為單體液壓支柱，其保持1 000 mm 的排距和低于1 200 mm的間距，每一排需要設(shè)置兩根。

2）巷道維護(hù)區(qū)。采取單體結(jié)合π 型鋼梁和單體結(jié)合U 型鋼可縮支架來實(shí)施支護(hù)。在巷道的中間部位來設(shè)置一排單體結(jié)合π 型鋼梁，其單體保持1 000 mm 的間距；沿著巷道的切縫邊緣來設(shè)置一排單體，其設(shè)置要與U 型鋼可縮支架相互交替進(jìn)行，保持500 mm 的間距，其中單體也需要與U 型鋼可縮支架保持250 mm 的間距。

3）成巷穩(wěn)定區(qū)?；谙锏乐械膶?shí)際礦壓將單體與π 型鋼梁進(jìn)行逐步撤回，直到完全撤回。

在周期來壓的時(shí)候，為了避免頂板的落石進(jìn)入到巷道之內(nèi)，作業(yè)面支架后部200 m 之內(nèi)的支護(hù)工具為可伸縮的29U 型鋼結(jié)合鋼筋網(wǎng)，維持500 mm的間距，其中不管是橫向還是縱向，鋼架都必須保持同一直線，確保巷道的效果。鋼筋網(wǎng)的規(guī)格為1 000 mm×2 000 mm，并采取8 號(hào)鋼絲來對(duì)其進(jìn)行綁扎，使其與鋼架成為一體，搭接保持200 mm 以上的長度，見圖3。

圖3 巷道檔桿支護(hù)示意圖

3 無煤柱自動(dòng)成巷效果分析

無煤柱自動(dòng)成巷掘進(jìn)技術(shù)投入使用后，需要對(duì)實(shí)際方案及結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測與分析。首先頂板下沉量是頂板穩(wěn)定性的體現(xiàn)，因此可以通過對(duì)切頂護(hù)幫支架投入前后的監(jiān)測對(duì)比來分析無煤柱自動(dòng)成巷的可靠性，圖4 是監(jiān)測出的變化情況。

圖4 不同工作面上頂板下沉量的變化曲線

分析圖4 中的實(shí)際監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)綜合開采距工作面的距離為50～150 m 時(shí)，巷道頂板的下沉量變化較微弱，逐步趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)巷道頂板下沉量基本保持在60 mm 左右。當(dāng)在綜合開采掘進(jìn)過程中距工作面150 mm 以后的位置將切頂護(hù)幫支護(hù)撤回之后，巷道頂板的下沉量出現(xiàn)了明顯的增加，但最終數(shù)字逐漸維持在69 mm 左右。在實(shí)際掘進(jìn)過程中，為了消除其他因素對(duì)巷道頂板的穩(wěn)定性造成影響，每隔15 m 的位置預(yù)留出一個(gè)支架，待綜合開采作業(yè)完成后統(tǒng)一將支架撤回，也保障了開采過程中的安全性。

在實(shí)際案例中，以井下綜合開采面1 000 m 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出井下改造的費(fèi)用大概為778 萬元，改造后掘進(jìn)成本為2 100 元/m，與改造之前相比降低了1 800 元/m，掘進(jìn)作業(yè)過程中煤炭回收量比之前多出10.70 萬t，根據(jù)市場價(jià)340 元/t 計(jì)算，共獲得3 638 萬元，總共節(jié)約了成本3 026.3 萬元，同時(shí)巷道的掘進(jìn)時(shí)間也大大減少，縮短了將近1/3，不管是從巷道穩(wěn)定性還是經(jīng)濟(jì)效益方面來看，此次優(yōu)化都非常成功，值得推廣使用。

4 結(jié)論

無煤柱自動(dòng)成巷掘進(jìn)技術(shù)以定向切縫技術(shù)為核心，輔以切頂護(hù)幫支架支護(hù)技術(shù)通過巷道分離及支護(hù)的方式提升了巷道頂板的穩(wěn)定性，同時(shí)也對(duì)煤柱進(jìn)行優(yōu)化，無需再采用煤柱支護(hù)。結(jié)合實(shí)際案例得出以下結(jié)論：

1）頂板定向切縫技術(shù)是通過切割一條縫使得頂板與采空區(qū)上巷道直接頂與基本頂分開在兩側(cè)，然后采空區(qū)外面一側(cè)會(huì)受到頂板礦壓波動(dòng)的影響，從而發(fā)生塌落并直接進(jìn)入采空區(qū)，填充成堅(jiān)實(shí)的墊層結(jié)構(gòu)。

2）切頂護(hù)幫支架支護(hù)的原理是通過設(shè)置溢流閥和伸縮橫梁來對(duì)支護(hù)過程進(jìn)行調(diào)整，保證整個(gè)過程處于恒阻力的狀態(tài)，防止煤矸石擋護(hù)結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生改變。通過多方面的手段來提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性和堅(jiān)固性。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明無煤柱自動(dòng)成巷掘進(jìn)技術(shù)通過避免回采巷道的提前掘進(jìn)和降低掘進(jìn)量，可有效提升作業(yè)速度、回采率和安全性能，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。