郭 暉

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦， 山西 呂梁 033102)

店坪煤礦設(shè)計年生產(chǎn)能力260萬t，9-2092工作面副巷位于+830 m水平二采區(qū)西翼，西為井田邊界，東為+830 m系統(tǒng)大巷。煤層厚度較穩(wěn)定，從開口到600 m煤層厚度穩(wěn)定為3.0～3.1 m，610～750 m煤層厚度從3.0 m逐漸變薄為2.8～2.95 m，760～1 300 m煤層厚度穩(wěn)定為3.0 m，之后到切巷煤層變厚為3.2 m. 煤層坡度從開口到284 m煤層為1°～6°下山且坡度逐漸減小，284～630 m為1°上山，630～924 m為1°～3°下山且坡度逐漸增大，924 m至切巷為1°～3°上山且坡度逐漸增大；切巷由副巷開口至正巷煤層整體為1°上山。由于采用了預(yù)留煤柱成巷技術(shù)，因此導(dǎo)致前期煤炭綜采效率和回采率不足，嚴(yán)重影響了店坪煤礦的可持續(xù)生產(chǎn)能力。

結(jié)合煤礦可持續(xù)發(fā)展需求，采用何滿潮院士團(tuán)隊提出的以“110工法”為核心的切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)[1].

1 110工法原理

切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)概括為“切得開、拉得住、支得好、下得來、護(hù)得住”，即：采用爆破預(yù)裂技術(shù)切開頂板形成短臂梁，利用恒阻錨索和配套的滯后支架技術(shù)控制頂板下沉量，用U型鋼掛網(wǎng)擋矸形成巷幫，通過采用自動在線監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)對綜采作業(yè)過程中礦壓情況的及時監(jiān)測和預(yù)警，在實際使用過程中主要分為以下幾個工序：

1) 工作面回采前，在預(yù)留巷道超前施工恒阻錨索主動補強支護(hù)，并沿巷道肩角施工切頂眼，進(jìn)行爆破切頂預(yù)裂，保證回采后頂板及時卸壓形成短臂梁，減小了頂板壓力。

2) 工作面采過后，及時在礦壓未穩(wěn)定區(qū)支設(shè)門架進(jìn)行被動臨時支護(hù)，以控制頂板下沉變形，并沿切縫線掛網(wǎng)、支設(shè)U型鋼進(jìn)行擋矸護(hù)幫，保證采空區(qū)頂板垮落后，沿切縫斷裂、充填成新巷幫。

3) 留巷區(qū)頂板卸壓、巷道穩(wěn)定后，采用門架搬運車整體回撤、搬移、支設(shè)門架，既提高了支護(hù)效率和安全保障，又降低了職工勞動強度。

4) 留巷壓力穩(wěn)定回撤門式支架后，人工定點對成巷段巷道規(guī)格、有毒有害氣體進(jìn)行定期監(jiān)測、分析，確保安全。

110工法主要包括了NRP恒阻錨索支護(hù)技術(shù)、頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)、擋矸護(hù)幫臨時支護(hù)技術(shù)、遠(yuǎn)程實時在線自動監(jiān)控技術(shù)4個部分，有效提升綜采作業(yè)過程中的安全性和經(jīng)濟性，推動井下高效綜采水平的進(jìn)一步提升。

2 NPR恒阻錨索補強支護(hù)方案

在利用NPR恒阻錨索支護(hù)時，首先需要采用高預(yù)應(yīng)力錨索對處于塑性變形階段的圍巖進(jìn)行加強，避免圍巖受力進(jìn)一步變化，隨著礦壓波動和綜采擾動情況下集聚在圍巖內(nèi)的能量不斷被釋放，應(yīng)力值逐漸增加，直到達(dá)到NPR恒阻錨索的支護(hù)工作阻力，然后錨索在應(yīng)力作用下繼續(xù)變形，通過自身形狀的改變吸收巖石釋放的能量，由于該錨索自身的結(jié)構(gòu)特性，在高阻力下能夠確保圍巖始終處于一種比較穩(wěn)定的態(tài)勢，因此可以避免頂板塌方、變形等，提高圍巖的穩(wěn)固性。

結(jié)合該煤礦井下實際情況，9-2092綜采面采用3列錨索進(jìn)行加強支護(hù)，第一列錨索間距1 m，并采用3 400 mm×300 mm×4眼的W鋼帶進(jìn)行聯(lián)鎖支護(hù)，第二列與第一列錨索并排布置，第三列錨索設(shè)置到巷道的中間位置。

頂錨索采用d21.8 mm的鋼絞線，錨索長度根據(jù)頂板巖性確定，以錨固到穩(wěn)定巖層上方1.5 m為依據(jù)，每根錨索采用1條CKb2340型錨固劑與2條z2360型錨固劑進(jìn)行錨固，托板采用300 mm×300 mm×12 mm的鋼板，采用KM22型索具。

幫錨索采用d18.9 mm的鋼絞線，2排布置，上排錨索長度為4.2 m，下排錨索長度為4.2 m，每根錨索采用1條CKb2340型錨固劑與2條z2360型錨固劑進(jìn)行錨固。托板采用300 mm×300 mm×12 mm的鋼板，索具采用KM19型索具。上排幫錨距頂1.2 m，與煤壁夾角為45°，錨索間采用規(guī)格為3 400 mm×220 mm×4眼的W鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，下排幫錨索與第一排錨索插花布置，距頂2.2 m，與煤壁夾角為30°，井下支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 巷道錨索支護(hù)圖

3 頂板定向預(yù)裂切縫方案

由于頂板硬度大，無法自行垮落，在采空區(qū)形成一個很大的懸空體，在礦壓波動或綜采擾動情況下將出現(xiàn)不定時的垮塌，給綜采作業(yè)安全帶來隱患。因此，采用頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)[2]，控制頂板的垮落，提高綜采作業(yè)的安全性和效率。

根據(jù)9-2092巷頂板的整體煤巖分布情況，為最大限度地保證留巷寬度，切縫孔布置在巷道輪廓線肩角處，切縫深度取9 m，角度取19°，孔間距500 mm.

目前礦井采用d48 mm的鉆頭切縫孔，孔內(nèi)安裝外徑為42 mm、內(nèi)徑為36.5 mm、長度為1.5 m的雙向聚能管；采用二級煤礦乳化炸藥(每條藥卷重0.3 kg)、煤礦許用毫秒延期電雷管和FD200(B)多功能發(fā)爆器進(jìn)行爆破。為了滿足爆破效果，根據(jù)實際爆破驗證，砂巖每米使用0.8～1 kg炸藥，砂質(zhì)泥巖每米使用0.4～0.6 kg炸藥，煤與泥巖每米使用0.2～0.4 kg炸藥。結(jié)合井下實際情況，確定9-2092工作面每個切縫孔采用4.8 kg炸藥進(jìn)行爆破，裝藥結(jié)構(gòu)為4-3-3-4-2，即每孔采用5根聚能管，5個同一段位的電雷管從孔底到孔口的5根聚能管依次裝4條、3條、3條、4條、2條藥卷，聚能管中的空氣柱超過40 cm，采用水炮泥代替，封泥長度為1.5 m.

由于頂板存在一定的破碎性，因此采用2種不相鄰段位的電雷管，一次起爆6個連續(xù)的切縫孔，其中前3個相鄰的切縫孔中的電雷管為同一個段位，后3個切縫孔中的電雷管為另一個段位。

斷層前后10 m范圍爆破時，采用2種不相鄰段位的電雷管，一次起爆4個連續(xù)的切縫孔，其中前2個相鄰的切縫孔中的電雷管為同一個段位，后2個切縫孔中的電雷管為另一個段位，同時將最下一根聚能管裁成1 m，封泥長度變更為2 m. 其井下切縫孔施工見圖2.

圖2 井下頂板定向預(yù)裂切縫施工圖

通過采用頂板定向預(yù)裂切縫方案，能夠根據(jù)預(yù)留巷道頂板巖性及時調(diào)整切頂眼間距、角度及裝藥量和爆破眼孔數(shù)量等爆破參數(shù)，并每天間隔窺視切頂眼爆破效果，基本保證了頂板隨采隨落，局部最大懸頂面積未超過8 m2，為實現(xiàn)及時卸壓、保證留巷質(zhì)量創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

4 留巷擋矸支護(hù)

為了適應(yīng)新的切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)，需要對留巷結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強，提高綜采作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，在對多種留巷擋矸方案進(jìn)行分析后，最終提出了一種新的加強結(jié)構(gòu)的留巷擋矸方案[3]. 留巷采用1.5 m與2.5 m的29U型鋼頂?shù)坠?jié)搭接進(jìn)行擋矸支護(hù)，擋矸支護(hù)超前支架切頂線1 m，每500 mm布置一架，向巷道內(nèi)邁步200 mm，頂節(jié)圓鋼插入切縫預(yù)裂孔15 cm以上，為防止采空區(qū)垮落的大塊矸石將U型鋼砸出，在支架后方采空區(qū)頂板未垮落及填充高度較低區(qū)域采用戧柱+圓木進(jìn)行配合擋矸。當(dāng)采空區(qū)頂板垮落填充至巷道高度(2.7 m以上)時，可將擋矸戧柱進(jìn)行前移。

為了提高擋矸的效果，在兩側(cè)設(shè)置有鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)采用5 mm的鋼筋焊制，規(guī)格為1 100 mm×1 600 mm，每排鋪設(shè)2片鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)短邊與頂網(wǎng)相連，長邊與幫網(wǎng)相連，當(dāng)頂板破碎時，在拉架過程中直接在支架前梁上鋪設(shè)一張鋼筋網(wǎng)，并與頂網(wǎng)相連，保證U型鋼支設(shè)期間的頂板安全，鋼筋網(wǎng)采用搭接10 cm的方式進(jìn)行連接，要求逢格必連。該留巷擋矸方案見圖3.

圖3 井下留巷擋矸結(jié)構(gòu)示意圖

5 礦壓遠(yuǎn)程實時監(jiān)測及預(yù)警

為了進(jìn)一步提升支護(hù)在綜采作業(yè)過程中的可靠性，店坪煤礦建立了礦壓遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)控及預(yù)警體系，在井下巷道縱深、頂板及圍巖四周增加振動傳感器，對綜采作業(yè)過程中的礦壓波動情況進(jìn)行實時監(jiān)測，采用數(shù)據(jù)總線方式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)收集后存儲在該礦數(shù)據(jù)中心內(nèi)對礦壓波動趨勢進(jìn)行分析預(yù)警，同時將分析結(jié)果通過無線傳輸方式傳遞到深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室監(jiān)測預(yù)警中心，該礦壓遠(yuǎn)程實時監(jiān)測及預(yù)警體系整體結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 井下礦壓監(jiān)測及預(yù)警體系圖

6 應(yīng)用效果分析

對采取該綜采工藝方案前后巷道頂板和兩幫位移數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果見圖5.

由圖5可知，在井下巷道內(nèi)頂板的最大下沉量約為248 mm，巷道兩幫的最大移近量約為246 mm，巷道的整體變形量小于10%. 而且通過監(jiān)測分析可知，在巷道0～60 m為頂板運動的劇烈階段，在巷道60～160 m為頂板運動緩慢階段，待巷道距離超過160 m后巷道頂板進(jìn)入穩(wěn)定階段。

店坪煤礦9-1012巷是第一條采用該新技術(shù)的巷道，項目總投資為1 925.12萬元，與傳統(tǒng)的留煤柱護(hù)巷開采工藝相比，能夠減少一條長度為1 088 m的巷道，節(jié)約費用為599.27萬元。與傳統(tǒng)的煤柱護(hù)巷相比，按20 m的護(hù)巷煤柱計算，一個采高為3.1 m，長度為942 m的巷道可以多采煤8萬t，直接創(chuàng)收可達(dá)6 240萬元以上。

圖5 不同支護(hù)下巷道圍巖變化情況圖

目前該綜采技術(shù)方案已經(jīng)在3個綜采面投入了應(yīng)用，累計留巷3 603余米，少掘巷道3 603余米，復(fù)用巷道1 914余米，累計多回收煤柱資源20萬t，創(chuàng)造經(jīng)濟效益14 000萬元。

7 結(jié) 論

針對店坪煤礦采用預(yù)留煤柱支護(hù)方案所存在的綜采效率低、煤炭回采率不足的現(xiàn)象，采用一種新的切頂卸壓無煤柱開采技術(shù)，該技術(shù)以“110工法”為核心，主要包括NRP恒阻錨索支護(hù)技術(shù)、頂板定向預(yù)裂切縫技術(shù)、擋矸護(hù)幫臨時支護(hù)技術(shù)、遠(yuǎn)程實時在線自動監(jiān)控技術(shù)等4個部分，實現(xiàn)了對井下綜采作業(yè)方案的跨越式升級。