明珠煤业无煤柱自成巷110工法关键技术研究及应用

明珠煤业无煤柱自成巷110工法关键技术研究及应用

刘忠峰

山西华晋明珠煤业有限责任公司  042202

摘要：随着开采范围和强度的加大，传统锚网索支护在顶板变形过程中无法达到同步变形，容易引发导致刚性支护材料的断裂失效，同时由于顶板变形能量不能被充分释放，将引发应力集中并最导致发巷道的变形失稳，无法适应围岩的大变形特征，由此引发了许多大变形工程灾害问题。同时常常出现两帮非对称大变形灾害、底臌非对称大变形灾害和巷道大面积严重冒顶灾害。这些灾害的频繁发生，严重威胁着矿山的安全可持续开采。目前所采用的锚网索喷等支护形式无法对巷道围岩进行有效的控制，回采巷道变形逐渐加剧，多次扩巷翻修，严重影响了矿井的正常生产，导致成本增大、冒顶危险性增加。若采用传统留设煤柱方式开采时，需要多掘出一条巷道，同时留设煤柱造成了资源的大量浪费[1]。

关键词:煤矿;无煤柱开采;110工法；关键技术；研究；应用

一、 110工法原理

2008年，何满潮院士提出切顶卸压自动成巷技术工艺，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。

常规长壁开采121工法在开采过程中煤层顶板会形成长壁梁，因此，往往存在应力高度集中、顶板与煤层被压坏、高应力区掘巷及采动超前压力高等问题，容易引发工程事故，同时，留设的煤柱将造成资源的浪费，而110工法可以在很大程度上减少或避免上述问题。总的来说，110工法利用矿山压力、利用顶板部分岩体、利用岩石碎胀特性、利用原有巷道空间、利用原有巷道支护、减弱周期性来压、减弱空区瓦斯、减弱煤层自燃、实现自动成巷和实现无煤柱开采[2]。

要实现上述目标，需要采用特殊的爆破方式切断巷道顶板，同时使用能够适应顶板变形的新型锚索对巷道顶板进行加固，保证顶板压力能够缓慢转移至采空区矸石，同时，在回采过程中对巷道内进行临时支护，以抵抗回采动压对顶板稳定性的影响，除此之外，还需架设挡矸支护并对碎石帮进行密闭，防止矸石和有害气体进入巷道。之后随着工作面的回采，采空区顶板沿着切缝线垮落，最终巷道形成。由此可知，保证留巷成功的关键技术主要包括一下五项：①NPR恒阻大变形锚索支护技术；②顶板定向预裂切缝技术；③挡矸护帮及临时支护技术；④碎石帮高分子材料快速封闭技术；⑤矿压远程实时在线监控技术。

二、NPR恒阻大变形锚索支护技术

（1）恒阻大变形锚索工作机理

基于恒阻吸能﹑以柔克刚的思想，深部岩土力学与地下工程国家重点实验室（北京）何满潮院士及其团队提出了围岩大变形控制基本理论，构建了恒阻大变形锚索的设计框架，并于2009年成功研发出第一代恒阻大变形锚杆（索）支护材料，该锚杆（索）具有130KN 的恒定支护阻力。2011年通过不断努力继而研发出第二代恒阻大变形锚杆（索）支护材料，该新型恒阻锚杆（索）能够达到350KN的恒定支护阻力，且在保持阻力恒定的同时其变形量最大可达到1000mm[3]。

（2）恒阻大变形锚杆（索）控制围岩压力工作原理

在围岩尚未发生大变形破坏前，要根据地下工程支护设计要求，按照传统预应力锚索施工工艺，安装恒阻大变形锚杆（索）。

地下工程围岩出现大变形破坏初期，能量较大，当围岩的变形能超出锚索的恒阻力范围，恒阻体在恒阻套管内发生滑移，也即恒阻大变形锚杆（索）随着围岩大变形而发生径向拉伸的大变形，以此来吸收变形能，避免由于岩土体大变形而发生锚索断裂、失效现象。

当围岩发生大变形之后，岩土体内部应力达到新的平衡，其能量得到释放，围岩的变形能小于恒阻器的设计恒阻力T，锚索轴力P小于恒阻体与恒阻套管的摩擦阻力，围岩在恒阻大变形锚杆（索）的支护作用下再次处于稳定状态。

三、顶板定向预裂切缝技术

双向聚能拉张爆破是预裂爆破的一种，有别于传统的预裂爆破，它通过聚能管与普通矿用炸药的有效结合，改变了爆轰波与围岩相互作用的动力学过程：即炸药爆炸后沿聚能方向形成切向拉应力，爆轰压力最大限度地转化为对围岩的张拉作用，从而使沿巷道轴向方向形成有效的切缝面[4]。

四、挡矸护帮及临时支护技术

（1）非可缩柱网体系

当煤层开采中厚度小于1m时，采用工字钢为挡矸主要结构的非可缩柱网体系。挡矸主要形式为工字钢+（单体支柱）+钢筋网+（菱形金属网）；工字钢采用11#工字钢，间距500~800mm；挡矸单体支柱距巷帮100mm，与工字钢间隔布置。

（2）可缩柱网体系

当煤层开采中厚度1~2m时，采用可缩型U钢为主要挡矸结构的可缩柱网体系。挡矸主要形式为可缩型挡矸U型钢+（单体支柱）+钢筋网+（菱形金属网）；可缩型挡矸U钢采用29#U型钢，间距500~600mm；挡矸压力大时可采用单体支柱辅助挡矸，与可缩型挡矸U钢间隔布置。

可伸缩挡矸U型钢采用上下两节可缩性搭接，单根长可根据巷道高度适当调整，采用两副卡兰连接，卡兰上下沿距U型钢搭接端头各100mm，搭接长度大于1m。U型钢棚埋入底板以下不低于200mm。为增强可伸缩挡矸U型钢稳固性及整体强度，可采用拉杆进行两两连接。

（3）架-柱-网体系

当煤层开采中厚度2~4m时，采用切顶护帮支架+可缩型U钢为主要挡矸结构的架-柱-网体系。挡矸主要形式为切顶护帮支架+可缩型挡矸U钢+钢筋网+（菱形金属网）；可缩型挡矸U钢采用29#或36#U型钢，间距500~600mm。

五、碎石帮高分子材料快速封闭技术

为了保证碎石帮的密闭性，常采用挂设风筒布并喷涂密闭材料的方式进行封闭。由于碎石帮受力特点及井下环境的特殊性，喷涂材料需要满足无毒无腐蚀性、稳定性好、凝结快、有一定的粘结性和韧性、能够适应碎石帮的变形、自身不收缩开裂、存储运输方便、易于保存等特点。传统混凝土材料易于风化开裂，且不能适应碎石帮的变形，在留巷过程中容易被压裂导致密闭失效，因此研发了新型快速密闭喷涂材料，例如RK-20 型快速密闭喷涂材料。

六、远程实时在线自动监控技术

110工法采用远程实时监测系统对锚索受力、液压单体支柱压力及伸缩量、留巷顶板离层情况等进行实时监测。通过该系统，一方面可以掌握回采期间围岩应力在时间和空间上的动态分布规律，为沿空留巷支护设计和安全施工提供科学依据；另一方面可以掌握沿空护巷围岩应力与支护体的相互作用，研究应力变化与巷道变形、锚杆受力、顶板离层等关系，为检验支护结构、设计参数及施工工艺的合理性，修改、优化支护参数提供科学依据；同时还可以掌握巷道围岩各部分不同深度的位移、岩层弱化和破坏的范围(离层情况、塑性区、破碎区的分布等) ，并判断支护体与围岩之间是否发生脱离，锚杆应变是否超过极限应变量，为修改支护设计提供依据

参考文献

[1]马小宁,霍军鹏,白铭波,许海龙.陕北矿区韩家湾煤矿中厚煤层110工法技术创新及应用[J].煤炭技术,2022,41(02):1-4.DOI:10.13301/j.cnki.ct.2022.02.001.

[2]赵杰.无煤柱自成巷技术在凌志达矿15501工作面的应用[J].煤矿现代化,2021,30(06):22-25.DOI:10.13606/j.cnki.37-1205/td.2021.06.007.

[3]杨晓杰,黄瑞峰,周博森,原森阳,夏瑾睿,赵伟程,宋思桐,李镈宇.无煤柱自成巷110、N00工法5R绿色内涵分析[J].能源技术与管理,2021,46(05):12-15.

[4]李博.薄煤层无煤柱自成巷110工法技术应用研究[J].同煤科技,2021(05):10-12.DOI:10.19413/j.cnki.14-1117.2021.05.003.