无煤柱开采技术在煤矿中的运用

＊赵新宇

（大同市姜家湾煤矿 山西 037000）

随着经济的快速发展，煤矿资源的需求量逐渐上升，使得煤矿企业不得不加大对煤矿资源的开采量，以此确保能够满足市场的消费需求。煤矿的开采技术含量较高，需要应用的技术种类较为丰富，此次论文主要研究的对象是无煤柱开采技术，该技术的使用可提高煤矿开采效率的同时，能够保障开采工作顺利推进。无煤柱开采技术的施工工艺较为简单，煤矿资源的回收率较高，有助于避免出现资源浪费的问题，既可以确保煤矿开采数量，又可以效缓解采掘衔接，能够保障开采工作顺利进行。

1.无煤柱开采技术在煤矿中的运用

(1)设计顶板双向预裂爆破方案

首先，确定切顶的高度值。切顶高度主要是指通过双向爆破技术，利用模拟计算法计算出顶板切割时所需数值。在计算过程中，地质岩体不同，其岩层力学参数值也会不同，施工人员应注重计算参数的全面性，确保顶板高度值的精准性。顶板双向预裂爆破技术是无煤柱开采技术的一种，具有改变顶板受力情况的作用。技术应用前各参数值的确定工作十分重要，主要的参数值可包括切顶的高度与角度、钻孔间距等。其次，确定切顶的角度值。切顶高度值的确定会受其角度值的影响，施工人员可以利用数值模拟法对切顶角度值进行计算，随后通过对计算结果的分析，选择合适的无煤柱开采技术，有利于保障巷道开挖与支护的稳固性，避免出现开采事故。最后，施工人员需要对钻孔爆破间距进行严格管控。无煤柱开采技术的应用效果与钻孔爆破间距大小密切相关，科学的钻孔间距可降低煤矿开采对原地质岩体的损害。钻孔之前，施工人员可通过试验对地质的岩体结构进行预判,最终确定钻孔爆破间距。

(2)锚索梁支护与巷道稳定维护

一方面，在锚索梁支护设计方面，工作人员依据对煤矿的勘测，需要优先将顶板离层高度估算出来，随后是确定锚索的强度与长度。锚索梁的设计应为两排，且需要在沿空留巷支护基础之上，通过加强支护结构的稳固性，尽可能减少开采对巷道的破坏，以此完成悬臂梁的支护设计。在锚索梁支护实际施工中，锚固段深入老顶的长度应大于1m，该长度为锚索梁支护设计的规范长度[1]。另一方面，在工作面超前支承压力带的巷道维护方面，在实际施工过程中，煤矿的开采与支护需要优先确保巷道的稳固性与完整性。在巷道内部，需要进行原支架支护施工，首先是在支架下设置煤柱，以起支撑巷道以及缩小沿空巷的作用，支护长度的标准为20m。此外，煤矿的开采对于原地质地貌的破坏性较大，开采过程中可能会出现顶板松软破碎的问题，此时支护长度的标准应延长至30m，且需要增设两排煤柱，以此起到控制超前支承压力的作用，强化巷道围岩的稳固性。

(3)沿空留巷技术的应用

随着无煤柱开采技术研究的不断深入，沿空留巷技术应用范围逐渐扩大，煤层开采厚度逐渐变厚，留巷速度逐渐加快，整体机械化水平有所提高。在煤层厚度方面，其煤层开采的发展顺序为薄煤层、中厚煤层以及厚煤层，常用的沿空留巷技术为柔模混凝土，其适合使用的煤层厚度为7m，工作面的倾向长度为315m，走向长度为1770m，需要工作人员做好日常连续墙的检修工作[2]。在留巷速度方向，柔模混凝土技术的应用煤层厚度为3m，工作面为6个，留巷速度明显加快。在机械化水平方面，机械水平的提升减轻了人工煤矿的开采压力，采空区挡矸支架的架设，可为开采人员煤矿开采工作提供诸多便利，提高煤矿开采的安全性。在埋深方面，埋深过度会对沿空留巷产生不良影响，尤其是在深井开采与支护施工当中。在围岩条件方面，沿空巷道技术较为适合应用于软岩巷道的施工。与此同时，煤矿采空区两侧可使用沿空留巷从切眼处起，沿巷道方向开采煤矿。

2.无煤柱开采技术在徐庄生建煤矿中的应用

(1)徐庄生建煤矿的概况

山东省徐庄生建煤矿位于山东省，主要开采的煤矿资源为上石炭统太原组12下级14煤层，其中12下煤层地质结构较为简单、稳定，直接顶板主要是由砂质泥岩与泥岩为主，其次是粉砂岩，基本顶主要是以细沙岩与粉砂岩构成，其次是中砂岩以及少量的细粉砂岩与砂质泥岩，厚度均匀，煤层倾斜角度在2°～8°，自然垮落法是直接顶板的主要处理方式[3]。常规情况下，12下煤层的顶板泥岩加权平均抗压强度为42MPa，沙质泥岩为59MPa，属3类直接顶板，II级基本顶，而12下煤层的底板主要是由八灰构成，厚度均匀，平均抗压强度为146MPa，八灰与煤层之间由泥岩相隔[4]。

(2)煤矿无煤柱开采现状

无煤柱开采技术是采煤技术改革的典型代表，早在20世纪国外便已经开始在煤矿开采中应用该项技术，不仅提高了煤矿开采效率和煤矿开采量，还降低了巷道掘进率，创新了巷道维护方式，在一定程度上有助于降低煤矿井下开采安全事故发生的几率，致使煤矿开采区域的巷道设计与支护施工等方面出现了诸多变化。在无煤柱开采技术应用的过程中，常使用的护巷方式为沿空留巷，该方式主要适合应用于煤层地薄的采煤区。技术应用前期，施工人员需要对沿空巷道的围岩活动规律以及支架围岩关系进行了解，便于后期无煤柱开采技术的顺利应用。相比于沿空掘巷技术，无煤柱开采技术中的沿空留巷技术应用优势更为显著，更加符合徐庄生建煤矿的开采要求。

(3)煤矿开采沿空留巷法

①掘进开采时期

无煤柱开采技术下的沿空留巷技术主要分为两种，一种是被动支护技术，一种是主动支护技术，徐庄生建煤矿两种技术均有使用，掘进期间使用的是主动支护技术，而在沿采空区垒矸石充填带使用的是被动支护技术[5]。在掘进开采期间，依据煤矿巷道顶板的移近量以及地质地貌破坏情况，施工人员需要将掘进巷道的断面设计成矩形，其中单面巷道的设计需要预留一定的变形空间，顶板施工需使用锚网索支护技术，以便于其运输巷作用的发挥。对拉工作面巷道的设计也需留有一定的变形空间，其顶板所使用的支护技术是锚网与矩形钢带搭配法，可作为材料巷被应用。

图2 对拉面沿空留巷

②开采支护时期

一方面，针对于顶板的支护问题。顶板支护的施工关键在于对拉工作面巷道，其支护技术为锚网搭配矩形钢带，锚杆的设置为每排5根，每根之间的间距为800mm，且均需要选用无纵筋高强度螺纹钢树脂锚杆，锚杆锚固需要使用的树脂锚固型号为K2350，施工期间锚杆需要外露部分长度便于后期施工。施工期间应选择高强度、钢板压制而成的拱形锚杆，锚网应选择金属菱形网，钢带可选用钢筋焊接品，焊接过程中钢带不能有翘边现象，且需要与巷道中心线始终保持垂直关系，以便于固定锚杆托盘[6]。另一方面，针对于两帮支护的问题。针对于对拉工作面巷道而言，其两帮所使用的顶板与锚杆规格相同，两帮间需设置锚杆2排，每排间距900mm，锚网需使用双抗网，并利用压茬法与双股铁丝进行衔接。针对于单面巷道而言，锚杆的材质为玻璃钢，两帮之间需要设置3排锚杆，间距为900mm，双抗网。

③煤矿采煤时期

在煤矿采煤时期，煤矿开采支护方式主要有3种，分别是主动支护、被动支护以及单面材料巷沿空留巷。A.主动支护，主要针对的是对拉工作面材料巷沿空留巷而言，常规情况下，同一条材料巷具有运送与回风2种功能，可同一时间为2个工作面提供服务，服务日期一般为2年或3年。主动支护施工期间，巷道需要遭受动压的影响，需要施工人员利用工字钢架以0.8m为间距架棚，棚上方的接顶施工可以使用木料完成。B.被动支护，针对于徐庄生建煤矿而言，其被动支护施工比较适合应用垒矸石充填带法，从切眼处开始，依据采空区的推采方向逐一完成矸石的垒砌与填充，有助于确保矸石垒砌与填充质量，保证垒砌稳固、结实，大小有序，自成一线。针对于顶板与垛墙间的缝隙，施工人员需要用矸石进行填充，以此保障矸石垒砌的坚实度。C.单面材料巷沿空留巷，因单面回采条件不同，开采区对于巷道截面的大小也会不同，截面越小，沿空留巷难度系数越高，需要施工人员增设工字钢棚。

(4)无煤柱开采技术应用效果

一方面，无煤柱开采技术优势明显，其沿空巷道能够将工作面区段的煤柱消除，以此缩小煤矿开采区域范围以及缩短工作面的接续时间等，既有助于煤矿开采率的提升，又有助于煤矿开采量的增加。与此同时，沿空巷道的监管功能可以对巷道的受力情况进行实时监管，有助于防止煤矿开采期间巷道出现安全事故。另一方面，有助于节约煤矿企业煤矿的开采成本，自徐庄生建煤矿项目启动以来，无煤柱技术的应用经济效果较为明显，其可缩短巷道掘进长度，提高煤柱回收率，以此减少煤矿企业的开采投资成本。自应用无煤柱开采技术以来，煤矿开采成本的节约可达300万元，企业的净收益大约增加了2500万元。

3.无煤柱开采技术在姜家湾煤矿中的应用

(1)姜家湾煤矿概况

姜家湾矿井田位于山西省大同市云冈区云冈镇姜家湾白庙前郭家坡村境内，隶属晋能控股煤业集团地煤公司，企业性质为国有煤矿，生产规模90万t/a，矿区面积为6.2685km2。开拓方式为斜井开拓，井筒数量4个，开采水平+1050m，现采煤层7号层，采煤工艺为综采一次采全高，瓦斯等级为低瓦斯矿井，水文地质类型为中等，自燃倾向性为容易自燃。

(2)无煤柱技术应用开采方案

图3 沿空留巷永久支护图

首先，在初顶卸压以及初采预裂方面，为确保采空区顶板有效垮落，减小老顶对沿空留巷的影响，回采前对沿空留巷（头巷）采空侧距巷帮0.2m施工切顶卸压孔，孔距0.5m，孔深6m，孔径50mm，夹角倾向采空区侧75°；而初采时对工作面切巷进行密集孔预裂，切顶预裂孔布置切眼巷南帮（预裂孔距南帮500mm），每隔0.5m布置一个切顶预裂孔，从头巷、尾巷往工作面以里各布置50m。规格为：眼距为500mm，孔深6000mm，孔径Φ50mm，与顶板夹角垂直。

其次，在沿空留巷补强锚索支护方面，盘区工作面沿空留巷巷道沿煤层顶板起底掘进，断面矩形，净宽5m，净高2.6m，永久支护采用锚杆、锚索联合支护。锚杆采用18mm×1.8m长的左旋无纵筋螺纹钢，排间距1m×1m，共5排。锚索采用21.8mm×8m的钢绞线，距采空区侧0.7m每1m布置1根锚索；距两帮1.9m的巷中每2m布置2根锚索；距实体侧0.7m每3m布置1根锚索，共布置4排，为1223的形式布置。

最后，在沿空留巷液压支柱补强支护方面，随工作面推进，工作面沿空留巷采取密集单体支柱、金属网挡矸支护方式。支护采用DW28-250/100X单体液压支柱配合0.8m长π型梁进行支护，靠近采空区侧支设3排单体，排距为0.6m，第1排、第2排柱距0.5m，第3排柱距为1m，每2根单体配合1根0.8m长的π型梁。靠近实体煤支设1排单体柱，柱距为1m，每根单体配合1根0.8m的π型梁。在密集支柱的采空侧铺设规格为2.2m×1.1m金属网挡矸，每排所有单体支柱用防倒装置相连接，防止采空区顶板垮落捶倒单体支柱。

4.结束语

随着经济的发展，煤矿资源的市场需求量增加，传统的开采技术已经无法满足煤矿的开采需求，需要煤矿企业在引进与应用新技术的同时，注重多种技术的搭配使用，又或者是积极应用无煤柱开采技术，既有助于节省开采成本，又有助于实现煤矿企业的可持续发展目标。在煤矿开采过程中，无煤柱开采技术的应用特点鲜明，技术的应用主要包括设计顶板双向预裂爆破方案、锚索梁支护以及沿空留巷技术等，技术应用范围较广，应用效果良好。