薄煤层无煤柱自成巷110工法技术应用研究

李 博

（山西忻州神达能源集团有限公司 山西 忻州 034000）

0 工程概况

该矿井设计规模为120万t/a，矿井许可开采标高+980 m～+620 m，煤层平均倾角3°～5°。其中11215回采工作面走向长575 m，倾斜长157 m。地面标高：+1 024 m～+1 074 m，井下标高：+718 m～+735 m，煤层埋深：289 m～356 m，煤层厚度1.53 m～1.61 m，平均1.57 m，煤层顶板为砂岩及泥岩、底板为泥岩，煤层平均倾角3°～5°，煤层产状较平缓。煤层呈单斜构造，地质条件简单，断裂构造不发育。

1 方案设计

原巷道断面为矩形断面，掘进断面规格：5 000 mm×2 600 mm,采用锚网支护，顶部打设4根ϕ18 mm×2 000 mm右旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶锚杆间排距为1 200 mm×1 000 mm，两帮各打设2根ϕ18 mm×1 500 mm螺纹钢锚杆，帮锚杆间排距为1 200 mm×1 000 mm，巷道全断面锚网支护，锚杆为矩形布置。施工过程中如遇地质构造等情况需要对顶板加固时，进行锚索补强支护，锚索间排距为2 400 mm×3 000 mm。

本方案采用以“切顶卸压+恒阻大变形锚索支护+巷道临时支护”为主体的设计方案，通过预裂切缝爆破，在局部范围切断工作面顶板应力传递，减弱巷道顶板压力，且预裂爆破能够很好地保护巷道顶板完整性。利用恒阻大变形锚索进行补强加固，控制顶板下沉，使所留巷道围岩能够最大限度地发挥自身承载作用，减少巷道变形，保证留巷效果。工作面推进过程中，所留巷道会受到动压影响，需要对所留巷道采取相应的支护措施。

1.1 恒阻大变形锚索设计方案

为了保证切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性，在对巷道顶板进行预裂切顶前采用恒阻大变形锚索补强加固，确保恒阻大变形锚索超前加固距离大于等于20 m。恒阻大变形锚索钢绞线直径为21.8 mm，长度为7 300 mm，恒阻器长500 mm，外径79 mm，最大允许变形量350 mm，预紧力不小于28 t，托盘规格300 mm×300 mm×16 mm，中间扩孔直径100 mm。恒阻大变形锚索垂直于顶板方向布置，共布设2列，切缝侧恒阻锚索距切缝线500 mm，排距1 000 mm；第二列恒阻锚索布置在巷道中线位置，排距2 000 mm。其中，切缝侧每3根恒阻锚索使用W钢带进行连接，以提高顶板的整体强度。恒阻锚索支护设计方案如下图所示。

图1 恒阻锚索支护设计示意图（单位：mm）

图2 恒阻锚索支护设计平面示意图（单位：mm）

1.2 顶板预裂切缝设计方案

采用双向聚能爆破预裂技术，将特定规格的炸药装在两个设定方向有聚能效应的聚能装置中，炸药起爆后，炮孔围岩在非设定方向上均匀受压，而在设定方向上集中受拉，依靠岩石抗压怕拉的特性，使岩石按设定方向拉裂成型，从而实现被爆破体按设定方向张拉断裂成型。其中切缝孔距巷道正帮设计为200 mm，与铅垂线夹角为15°，切缝孔间距为0.5 m。双向聚能管采用特制聚能管，特制聚能管外径为42 mm，内径为36.5 mm，管长1 500 mm。聚能爆破采用煤矿三级乳化炸药，药卷规格为ϕ35 mm×200 mm/卷，单孔6卷。

1.3 巷道临时支护设计方案

工作面推进过程中，不同位置巷道受采动影响不同。工作面超前段会受到超前压力的影响。工作面开采后，顶板开始垮落，且从垮落到稳定需要一定的时间，因此距工作面较近的架后区域不仅需要进行顶板支护，还需进行挡矸支护。随着工作面继续推进，当巷道距工作面较远时，顶板运动基本会趋于稳定，此时可将架后用于临时支护的设备撤掉，只进行挡矸支护即可。根据以往现场监测数据，将工作面附近巷道划分为三个区：超前支护区（工作面前方30 m），超后临时支护区（架后0 m～200 m，具体范围需要根据矿压监测结果确定）和成巷稳定区（架后200 m之后），不同分区根据需要采取不同的支护措施，分区如下图所示。

图3 巷道不同位置临时支护示意图

1.3.1 超前支护区

此段巷道位于工作面超前采动影响区，巷道顶板压力较大，因此需要超前加强支护。设计超前支护采用恒阻大变形锚索设计方案。

1.3.2 超后临时支护区（架后0 m～200 m）

此段巷道位于工作面超后影响区，受动压影响明显，巷道顶板压力较大。考虑到井下实际情况，架后临时支护采用单体液压支柱+π型梁+U型钢+钢筋网的联合支护形式。顶板加强支护采用单体支柱和π型梁进行，π型梁垂直巷道走向支设，排距1 000 mm，每排布置4根单体。为了防止采空区的矸石窜入巷道，同时需要挡矸支护。挡矸支护采用可缩U型钢，相邻U型钢之间的距离为500 mm，U型钢位于切缝位置。

1.3.3 成巷稳定区（架后200 m之后）

此段巷道受采动影响很小，顶板下沉量及单体支柱的压力变化也很小，可认为该区域已趋于稳定状态，可将临时支护的单体撤掉，只保留U型钢和钢筋网进行挡矸。

2 监测方案设计

采用切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术后，需要对巷道及工作面的变形及受力情况进行监测，以便制定进一步措施。其中对工作面的监测主要是对液压支架的受力进行监测，靠近切缝侧的40个支架每5架布置一个测点，工作面其余位置每10架布置一个测点。

巷道内主要对恒阻锚索和单体支柱（或超后支架的受力和变形设点监测。距留巷开始位置200 m范围内每20 m布置一个测站，液压支柱（或超后支架）测点布置与恒阻锚索的测点布置尽量保持一致，有利于以后综合分析，随后每隔50 m布置一个测站。测站布置如下图所示。

图4 测站布置示意图

要定时对观测数据做好记录，及时整理，并根据观测结果提出相关建议。每天观测记录及分析应及时上报有关人员便于及时调整参数并采取相应的安全技术措施。

3 应用效果

通过对现场进行监测及数据分析，该工作面在推进过程中锚索受力变化不大，基本趋于小幅度变化并趋于稳定状态，顶板离层变化在±50 mm范围内。采前和采后顶板至轨道面距离基本变化不大，最大距离控制在30 mm左右。在工作面推进过程中，采煤工作面前方20 m左右超前支撑压力开始显现，后方30 m左右采后压力开始趋于稳定，通过对支架受力状态分析，溜尾处支架受力基本处在恒定范围内，说明工作面进风顺槽切顶后，工作面顶板冒落及时。现场的实际应用证明无煤柱开采在本矿实现了高产高效的目标，也从根本上解决了因为留设煤柱带来的煤柱自然发火、应力集中引起的顺槽巷道难维护等难题。

4 结语

薄煤层无煤柱自成巷110工法技术在该矿的预算成本为1 884元/m，原有巷道成巷预算为4 400元/m。由此可见，采用该技术可以取得显著的经济效益，对于进一步降本增效、提高回收率有很大的促进作用。