无煤柱自成巷110工法在新维煤矿近距离煤层群开采中的应用

胡雷 银正川 王克雄 王才文

摘  要：新维煤业可采煤层分别是2、3、8#煤层，其中首采保护层是2#煤层，平均煤厚1.06m，3#煤层平均厚1.5m，距2#煤层底板距离3～5m，8#煤层平均厚3.0m，距3#煤层底板距离25～30m。本文以2108、3106、8102综采工作面为例，利用无煤柱自成巷110工法技术，通过强化巷道支护质量，确保切顶护巷质量，满足后续采煤工作面正常使用，同时通过实践不断完善支护及切顶参数，为新维煤矿近距离煤层群开采沿空切顶留巷留下一套成熟的技术体系。

关键词：近距离煤层群  沿空切顶留巷  强化支护  切顶参数  技术体系

中图分类号：TD355                           文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（c）-0015-05

Abstract： The mineable coal seams of Xinwei coal industry are 2 # ， 3 # and 8 # coal seams respectively， of which the first protective seam is 2 # coal seam， the average coal thickness is 1.06 m， the average coal seam thickness is 1.5 m， the distance from the floor of 2 # coal seam is 3-5 m， and the average thickness of 8 # coal seam is 3.0 m， 25～30m from floor of No. 3 Coal Seam. Taking 2108，3106，8102 fully mechanized coal mining face as an example， this paper makes use of 110 working method technology without coal pillar to form its own roadway， through strengthening roadway supporting quality， ensuring the quality of roof cutting and roadway protecting， and meeting the normal use of follow-up coal mining face， at the same time， the parameters of support and roof-cutting are perfected through practice， leaving a set of mature technical system for the close-distance coal seam group mining along Goaf and roof-cutting retained roadway.

Key Words： Close-distance coal seam group; Roof cutting and retaining roadway along goaf; Strengthening support; Roof cutting parameters; Technical system

自2008年，何满潮院士提出“切顶短臂梁”支护理论[1]，利用顶板预裂切缝和自有矿山压力，在采空区侧定向切缝，将顶板的部分矿山压力传递切断，利用变形量大的恒阻锚索对巷道顶板进行控制，保证受采动影响区护巷段圍岩稳定，利用顶板岩层压力[2]，利用切顶放炮，实现自动成巷和无煤柱开采，消除或减少事故灾害的发生，形成切顶卸压自成巷无煤柱开采技术，并于2010年在川煤集团白皎煤矿244工作面成功应用[3]。同时提出了切顶卸压自成巷开采工艺，实现了长壁开采110工法，即回采一个工作面，只需掘进一个顺槽巷道，另一个顺槽巷道自动形成，取消区段煤柱，实现了无煤柱开采，开始了我国第三次矿业技术变革探索[4-6]，沿空切顶留巷即无煤柱自成巷110工法在我国大部分矿井开始推广应用，部分煤炭企业此项技术应用已经趋于成熟[7-9] 。

新本井田含煤地层为二迭系上统宣威组，总厚度平均141m，煤层总厚度一般为8m，总含煤系数为6%。可采和局部可采煤层有四层，从上至下编号为2、3、7、8号煤层，可采煤层总厚度一般6.74m，可采含煤系数5%，含可采煤层的宣威组上段一般厚度43m，含煤7～9层，煤层总厚度平均8.76m，占该段厚度的20%;含可采和局部可采煤层四层，可采煤层总厚度7.68m，占该段厚度的18%。可采煤层的有益厚度为5.78m，可采厚度平均5.5m，各可采煤层顶板多为泥岩、炭质泥岩及细粉砂岩，局部为粗粉砂岩及薄层灰岩，一般都存在伪顶。底板多为浅灰色粘土岩，局部可见细粉砂岩。各可采煤层间距一般横向变化不大，层间距的大小一般随砂岩厚度增厚而加大，而随泥岩含量的增多而减小[10]。

为降低巷道掘进率、缓和采掘接替紧张的现状、减少工作面顺槽保护煤柱的损失、提高采煤工作面回采率及减少因留煤柱而导致对下覆煤层的巷道应力集中，新维煤矿强推无煤柱自成巷110工法技术，通过不断摸索，形成新维特色的沿空切顶成巷技术体系。

1  无煤柱自成巷110工法支护参数

1.1 无煤柱自成巷110工法技术工艺流程

无煤柱自成巷110工法技术实质上是采空区后方顶板在矿山压力作用下，通过预裂（爆破、切顶眼）切缝垮落自动形成巷帮，充分利用原巷道部分空间和采空区侧挡矸支护形成沿空护巷，作为邻近下一工作面回采巷道的技术，切顶成巷原理如图1所示。

1.2 新維煤业2#煤层切顶支护参数（2108工作面为例）

2108工作面风巷靠工作面煤壁侧采用大变形恒阻锚索+W钢带支护，锚索为Φ21.6mm钢绞线加工而成，L=7300mm，锚索间距2000mm，沿倾斜方向平行布置，距工作面煤壁650mm;锚盘为长×宽×厚=300×300×16mm的钢板加工而成;锚索眼孔孔深度7000mm，锚索外露长度为250～300mm，角度≮75°，用1支CK2350快速药卷和2支Z2850慢速药卷进行锚固，预紧力≮260KN。

2108工作面风巷中线采用普通锚索支护，锚索为Φ15.24mm钢绞线加工而成，L=7300mm，锚索间距3000mm，沿倾斜方向平行布置，距工作面煤壁为2150mm，锚盘为长×宽×厚=300×300×10mm的钢板加工而成，眼孔深度为7000mm，外露长度为250～300mm，角度≮75°，用3支MSCK2350树脂药卷锚固，预紧力≮100KN。机风巷20m超前支护为双排单体液压支柱，间、排距=1000×2000mm;巷旁支护为两根U29/25型钢搭接沿切顶线方向进行支护，长度为2400mm、1640mm，搭接长度1000mm，用2付抱箍固定牢固;U型钢间距为700mm。

在2108风巷挡矸支护采空区一侧施工金属网+风筒布背帮，网搭接长度为100mm，用铅丝固定保证风筒布、网的平整和紧实。金属网搭接时应上接顶，下接底，并在U型钢上搭头，保证风筒布、金属网有100mm的外露长度，挡矸支护距端头支架微端距离≯600mm。

沿空护巷顶板采用“一梁三柱”强化支护，间距为1000mm沿巷道中心线施工，梁为11#工字钢加工，长度3.5m;单体支柱第一排在2108风巷东帮距巷道中心线1450mm、第二排在2108风巷东帮距巷道中心线850mm、第三排在2108风巷顺槽西帮距巷道中心线1650mm。

1.3 新维煤业3#煤层切顶支护参数（3106工作面为例）

在巷道掘进过程中巷道顶部施工双排锚索，锚索间、排距3000mm×3000mm，锚索为Φ15.24mm钢绞线加工制作，长度3600mm，沿巷道倾斜方向平行布置，距工作面煤壁600mm;锚索采用2支MSCK2350树脂药卷锚固。预紧力不少于12t;眼孔深度为3300mm，外露长度为150～250mm，角度≮75°。巷道掘进期间，巷道顶板距采空区底板大于3m则采用锚网喷+锚索支护，小于3m时采用金属三节棚+喷浆进行支护。工作面20m超前支护采用单体戴帽点柱+工字钢（一梁二柱）回采过程中只需将施工三节棚腿便形成三节棚支护顶板，切顶眼距工作面侧顶板的距离为100mm。

沿空留巷段采用工字钢三节棚+单体液压支柱（一梁二柱）强化支护，待切顶留巷段采空区顶板垮落充分且压力稳定、顶板完好，确认采空区侧工字钢支设牢固后方可撤回垮落稳定段（距工作面煤壁线不小于60m）巷道内的单体液压支柱，同时保证切顶护巷的巷道宽度。如图2所示。

1.4 新维煤业8#煤层切顶支护参数（8102工作面为例）

巷道支护锚索为Φ15.24mm钢绞线加工而成，L=7300mm，间距1000mm沿倾斜方向平行布置，单排锚索距回采工作面煤壁600m，;采用3支MSCK2350树脂药卷锚固。预紧力不少于12t;锚盘采用长×宽×厚=300×300×10mm的钢板加工;眼孔深度7000mm，外露长度为150～250mm，角度≮75°，工作面20m超前支护为单体戴帽点柱，当巷道顶板支护后，沿工作面侧施工切顶眼，切顶眼距工作面煤壁侧距离100mm。使用11#矿工钢沿切顶线方向支护，间距为700mm，距切顶眼的距离为50mm。前期支护工字钢长度3500mm后期根据现场巷道实际高度调整工字钢长度。在护巷段巷旁支护施工金属网+竹笆片+金属网背帮，网与网搭接100mm，要在挡矸支护上搭头，且外露长度≮100mm，巷旁支护喷厚为100mm。护巷段用工字钢+单体液压支柱（一梁三柱）加强支护，待采空区顶板垮落充分且巷道顶板压力稳定后，可回撤垮落稳定段（距工作面煤壁线≮60m）巷道内的单体液压支柱。

2  切顶技术参数

2.1 新维煤业2#、8#煤层

2.1.1 切顶眼施工技术参数

切顶眼距工作面侧距离为150mm施工，眼距500mm，施工时保证切顶眼在同一直线上，确保切顶效果，钻孔施工采用Φ46mm钻头，切顶眼深5m，与工作面走向成水平夹角78°。

2.1.2 聚能管加工技术参数

聚能管采用外径Φ40mm，内径Φ36mmPVC管加工制作，聚能管单轴抗压强度≮1.6MPa;并在聚能管对称的两侧面按间距10mm、大小5mm密集钻眼。

2.1.3 聚能管装药及炸药、雷管技术参数

切顶眼利用聚能管装药定向爆破，装药参数;使用煤矿许用3#乳胶炸药，每眼装药4条（根据爆破效果适当增减），封泥长度≮1500mm;雷管为毫秒延期导爆电雷管。如图3所示。

2.2 新维煤业3#煤层

3#煤层顶板距2#煤层底板3～5m，且在2#煤层采空区下部回采，顶板随采随垮，3#煤层施工切顶眼无需放切顶炮亦能达到预裂切缝效果，切顶眼眼距为500mm，距工作面侧距离为100mm成一条线施工，钻孔施工用Φ46mm钻头，眼深2.5～3.0m，沿工作面走向水平夹角80°。

3  切顶成巷效果分析

3.1 经济效益

无煤柱自成巷煤矿开采运用具有很好的社会效益和技术效益，同时还有很好的经济效益。以新维煤业2108综采工作面为例，使用110工法无煤柱开采工艺后沿空巷道材料成本1970.218元/m，与开掘同样巷道材料成本3788.98元减少成本1998.762元，按600m切頂成巷核算，直接经济效益达163万元，同时解放的下覆3、8#煤层带来可观的经济效益，在不断优化技术参数后，90%以上挡矸支护材料能回撤直接复用，节约大量的材料成本。如表1所示。

以3106工作面为例，使用110工法无煤柱开采工艺后沿空巷道材料成本1081.978元/m，与开掘同样巷道材料成本3767.8元减少成本2235.8元，按520m切顶成巷核算，直接经济效益约达134万元。以8102工作面为例，使用110工法无煤柱开采工艺后沿空巷道材料成本1120.218元/m，与开掘同样巷道材料成本3767.8元减少成本2647.582元，按400m切顶成巷核算，直接经济效益约达106万元。

3.2 安全、社会效益

在首采保护层开采中使用无煤柱自成巷110工法技术，降低巷道（尤其是下覆煤层）因应力集中变形维护、维修成本;同时可以解放下覆煤层，使下覆被保护层巷道掘进或回采均处于卸压区内，对下覆煤层巷道或工作面的顶板控制起积极推动作用，积极推动矿井的安全高效生产，有良好的安全效益。

无煤柱自成巷减少煤柱损失，节约煤炭资源，增加了回采工作面的可采储量并提高回采率;以2108工作面为例，增加煤柱煤炭1.2万t，按市场价420元/t计算，创收500万元，与留设保安煤柱相比，少掘进巷道600m，降低矿井掘进率，缓解矿井接续紧张且下覆开采的煤层位于卸压范围内，减轻顶板治理的成本。

无煤柱自成巷技术有利于巷道日常维护。根据现场实践，使用110工法新支护技术之后，护巷段巷道的返修率减低到10%以下，工作面回采后基本不需要返修下一工作面就能直接利用，达到安全生产高产高效。大大减小掘进工作量，节省掘进开支，为矿井的高效建设助力。

4  结语

无煤柱自成巷110工法沿空留巷技术在全国范围内已经比较成熟，新维煤矿属于高瓦斯矿井，在保护层开采时采用沿空切顶留巷（无煤柱）开采工艺是大势所趋，这项技术的推广不仅可以节约资源，更重要的是从根本上消除了留设保安煤柱带来的一系列灾害隐患，为推动新维煤矿实现安全高产高效的建设目标做出巨大贡献。无煤柱自成巷110工法沿空留巷技术的应用研究，为新维煤矿创造了良好的社会和经济效益，也标志着新维煤矿在被保护层切顶成巷无煤柱开采技术的应用与推广的道路上迈出了一大步。

针对沿空切顶留巷顶板来压特征，在各煤层开采中制定相应的技术方案，确保护巷效果达到最佳。在2#煤层开采中提出锚杆、恒阻锚索+普通锚索主动支护及单体支柱加强支护的联合支护技术，双向聚能切顶成线，实现岩体定向断裂，采用可变形U型钢+双层金属网+风筒布+喷浆挡矸支护体系，不仅增加支护强度也保证了巷道气密性，针对新维煤矿岩石特性，研究出最佳支护、爆破技术体系;3#煤层开采提出锚杆、锚索主动支护、工字钢三节棚被动支护及单体支柱加强支护的联合支护技术，定向施工切顶眼实现岩体定向断裂;8#煤层开采提出锚杆、锚索主动支护及单体支柱加强支护的联合支护技术，双向聚能切顶成线，实现岩体定向断裂。针对新维煤矿各开采煤层顶板的岩石特性，研究出最佳支护、爆破技术体系，形成新维煤业公司的沿空护巷技术体系。

实践证明，以理论研究加现场试点摸索确定的无煤柱自成巷110工法技术，可以实现综采面开采高产高效的目标，实现无煤柱开采，从根本上防治高突矿井因为留设煤柱带来的瓦斯突出、煤柱发火自然、应力集中引起的下覆巷道难维护一系列的技术难题，不仅创造直接经济利益而且为安全开采创造了有利条件。

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