第45屆等級獎論文---衰老礦井“110工法”新技術應用的探討
曉南礦??奚德明 ?石振文 ?魯連喜 ?王則行
摘 ?要：很長一段時期內(nèi)我國工作面回采巷道主要采用留設區(qū)段煤柱，而傳統(tǒng)的留設區(qū)段煤柱開采方式無法進行回收，衰老礦井經(jīng)過長時間開采所造成的資源浪費和采掘接續(xù)緊張的問題普遍存在。如何解決這一問題，成為我們當下的難題，而“110工法”（“切頂卸壓-沿空留巷”無煤柱開采技術）是解決這一難題的關鍵技術，同時可以改變和優(yōu)化經(jīng)典的圍巖分布規(guī)律，大幅度減少圍壓力。
關鍵詞 ：衰老礦井 ?110工法 ?新技術
1 . 曉南礦基本情況
曉南礦位于鐵法煤田東南邊緣，井田南北走向長5.5公里，東西傾斜寬4.2公里，井田面積23平方公里。于1980年9月28日建成投產(chǎn)，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力為210萬噸/年，經(jīng)過近40年的開采，礦井資源日益減少，面臨資源枯竭和地質構造復雜，賦存條件差等問題，如何減少煤炭資源的浪費，提高煤炭資源回采率，成為我們曉南人當下的難題。
傳統(tǒng)的開采方式通過優(yōu)化設計和管理等方式對煤炭資源回采率很難再有較大的提高，必須突破老的觀念，積極采用新技術、新工藝、新設備、新材料。通過查找相關資料和外出考察，確定“110工法”（“切頂卸壓-沿空留巷”無煤柱開采技術）是解決這一難題的關鍵技術，而且比較適合曉南礦現(xiàn)有井下條件。????
2 . “110工法”概述
“110工法”即每個工作面只需掘進一條巷道，另一條巷道由相鄰工作面在回采過程中通過切頂卸壓技術自動形成，且無需留設面間煤柱。關鍵技術在于采用恒阻錨索加強頂板支護，保證恒阻錨索吊住上覆巖層基本頂，并使用聚能管進行頂板定向預裂爆破，工作面周期來壓時頂板能沿著預裂方向將頂板切落下來形成巷幫，使用架后擋矸支護維護新形成的巷道。
見圖1 “110工法”沿空留巷示意圖。
其核心步驟如下：
第一步：利用恒阻錨索對巷道頂板加強支護，以保證隨后預裂頂板、切頂時不影響自動形成的巷道質量；
第二步：利用切縫鉆機施工爆破鉆孔，采用聚能爆管導向爆破方式超前預裂頂板，在頂板形成裂縫；
第三步： 工作面煤層回采后，在礦山壓力作用下， 將頂板切落下來形成巷幫 ，利用原巷道并經(jīng)加強支護形成新巷道， 同時借助巖石碎脹系數(shù)使巖石破碎后的體積增大為原來的1.3倍，壓實并隔斷采空區(qū)，從而自動形成下一條回采巷道。
圖1 ?“110工法”沿空留巷示意圖
3 . “110工法”與傳統(tǒng)“121工法”對比
曉南礦一直以來都是“121工法”，即每回采一個工作面，需掘進兩條順槽、留設一個煤柱，該采煤工藝導致回采率低、大量資源浪費；地表破壞，環(huán)境損傷嚴重;巷道掘進量大；巷道受動壓影響維護量大，成本居高不下。
采用“110工法”切頂卸壓自動成巷技術，每回采一個工作面，只需掘進一條順槽，不用留設護巷煤柱。通過恒阻錨索加強頂板支護，保證恒阻錨索吊住上覆巖層基本頂，并使用聚能管進行頂板定向預裂爆破，工作面周期來壓時頂板能沿著預裂方向將頂板切落下來形成巷幫，切斷壓力傳導，實現(xiàn)卸壓作用，最后使用架后擋矸支護維護新形成的巷道作為下一個工作面順槽，改變?yōu)橐幻嬉幌锊删蚰Ｊ健τ跁阅系V安全高效開采具有重大的技術、經(jīng)濟、社會意義。 圖2 110工法與121工法對比圖
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圖2 110工法與121工法對比圖
4 . “110工法”應用的意義
4.1減災意義
由于留設煤柱上方應力集中而引起的巷道圍巖變形，采用“110工法”切頂卸壓無煤柱開采技術將是衰老礦井的重要發(fā)展方向，在提高煤炭回收率的同時，有效防止頂板災害事故。采用“110工法”切頂卸壓無煤柱自成巷開采技術可實現(xiàn)：形成Y型通風方式，利于瓦斯防治；切斷“砌體梁”或者“傳力巖梁”的壓力傳遞，成功轉化為“切頂短臂梁” ；改變和優(yōu)化經(jīng)典的圍巖分布規(guī)律；利用礦壓和圍巖運動自動成巷，實現(xiàn)無煤柱開采；圍壓大幅度減少；采用頂板預裂切縫超前壓力大幅度減少；圍巖變形量，底臌量大大減少，有效減少巷道維修量；臨空巖柱壓力小和圍巖完整性好。圖3 “110工法”與“121工法”頂板壓力對比
圖3 “110工法”與“121工法”頂板壓力對比
4.2經(jīng)濟意義
4.2.1實施“110工法”每個工作面可以少掘一條回采巷道，曉南礦每年需回采3～4個工作面，每個工作面回采長度按1000m計算，可以減少巷道掘進工程量3000～4000m。
4.2.2實施“110工法”可以取消護巷煤柱，曉南礦工作面護巷煤柱一般為5m，煤層厚度1.5m，每個工作面回采長度按1000m計算：
Q=?a ? b ? m ? γ=5?1000?1.5?1.65=12375t
式中： ???????Q?--------?護巷煤柱儲量，t；
a --------?護巷煤柱實測寬度，取5m；
b -------- 工作面實測回采長度，取1000m；
m -------- 工作面的平均煤層厚度，取1.5m；
γ -------- 煤的視密度，取1.65t/m3。
通過計算平均每個工作面，可以多回采12375t，按每年回采4個工作面時，可以多回采煤炭49500t，減少煤炭損失，提高煤炭回收率，延長礦井服務年限，實現(xiàn)煤炭資源完全開采，經(jīng)濟效益顯著。
4.3社會意義
曉南礦采用常規(guī)留設區(qū)段煤柱方法資源回收率低，沒有改變頂板的傳力結構，巷道受動壓影響維護量大，支護困難。
采用“110工法”后，可以有效地降低工人勞動強度，做到安全條件下施工；少掘一條巷道，從而直接降低了巷道掘進事故的發(fā)生，同時極大緩解礦井采掘銜接矛盾，提高了煤炭回收率，有利于生產(chǎn)集中化和高產(chǎn)高效；切頂卸壓后，降低了工作面一定范圍內(nèi)的周期壓力和巷道內(nèi)的壓力，從而提高了生產(chǎn)安全性。
5 . 曉南礦實施“110工法”面臨的問題
由于“110工法”主要針對的是頂板管理相關內(nèi)容，未對“一通三防”相關內(nèi)容進行研究，所以曉南礦通過外出考察后總結經(jīng)驗，根據(jù)本礦實際，提出以下問題：
5.1頂板管理
回采前如何補強支護，支護參數(shù)合理選擇；如何保證切頂效果，控制頂板壓力，回采后采空區(qū)側架后巷幫支護等問題。
5.2通風方式選擇
是采用“一進兩回”的“W”型通風方式還是采用“兩進一回”的“Y”型通風方式對通風管理更為有利。
5.3工作面瓦斯防治問題
為保證留巷效果，沿空留巷區(qū)域不宜施工瓦斯鉆場，這就造成了瓦斯治理難度的增大，需要提前考慮如何解決回采期間的瓦斯問題，并采取相應安全措施。
5.4防治自然發(fā)火問題
采用“110工法”后，采空區(qū)自然發(fā)火的問題，必須提前采取相應安全措施。
6 . 曉南礦實施“110工法”解決方案
6.1頂板管理
編制“110工法”專項安全技術措施并加強現(xiàn)場施工管理，確保巷道支護強度和頂板預裂切縫質量，每天有專人負責檢查驗收。預裂孔爆破后，使用專用的鉆孔成像儀進行抽檢分析，對預裂效果達不到設計要求的及時提出裝藥參數(shù)修改，并結合基本頂厚度調(diào)整預裂孔的深度、聚能管的長度和裝藥量，確保達到最佳頂板預裂效果。
使用全方位一體化監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，對巷道表面位移、錨索受力和變形量、單體支柱受力及縮量、工作面液壓支架受力、頂板碎脹系數(shù)、采空區(qū)自燃“三帶”等進行監(jiān)控監(jiān)測和信息采集。收集的信息、數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析，對施工設計及時進行修改，確保施工安全。
6.2通風方式
經(jīng)過外出對各地沿空留巷技術實地考察學習經(jīng)驗，并與集團公司通風處研究“Y”型和“W”型通風方式的優(yōu)缺點，決定N1-1502工作面采用“兩進一回”的“Y”型通風方式，N1-1502運輸順槽和N1-1502入風改造道進風，N1-1502回風順槽回風。見圖4 曉南礦N1-1502工作面留巷初期通風系統(tǒng)示意圖。
在留巷生產(chǎn)中由于運順留巷段與工作面回風隅角壓差較大，工作面絕對瓦斯涌出量達到18m?/min，且抽采效果不好，為了減少留巷段向采空區(qū)內(nèi)漏風，在集團公司領導和處室技術人員共同指導下對通風系統(tǒng)進行調(diào)整。將N1-1502入風改造道更改為N1-1502回風輔助道，N1-1502運輸順槽入風，N1-1502回風輔助道和N1-1502回風順槽回風。見圖5 曉南礦N1-1502工作面調(diào)整后期通風系統(tǒng)圖。
圖4 曉南礦N1-1502工作面留巷初期通風系統(tǒng)示意圖
圖5 曉南礦N1-1502工作面調(diào)整后期通風系統(tǒng)圖
6.3工作面瓦斯防治措施
- 本煤層預抽；（2）埋管抽采；（3）高位鉆場抽采；（4）減少采空區(qū)瓦斯涌出量。（5）建立形成臨時抽采系統(tǒng)，單獨鋪設瓦斯抽采管路，利用井下臨時抽采泵站與地面永久瓦斯抽采泵站配合同時對N1-1502工作面采空區(qū)進行抽采。
通過以上措施的實施，N1-1502工作面回風流甲烷濃度明顯降低，保障了工作面安全回采。
6.4工作面防治自然發(fā)火措施：
（1）加強自然發(fā)火標志性氣體監(jiān)測，每隔50m設置一組測點。
（2）在埋管抽采中安設一氧化碳傳感器，如一氧化碳濃度達到200PPm或出現(xiàn)乙烯時，停止埋管抽采，并采取防滅火措施。利用中央砂井制氮機向采空區(qū)內(nèi)進行注氮氣。
（3）利用KJ428礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)進行火情監(jiān)測。
（4）運輸順槽向采空區(qū)內(nèi)埋設兩趟注氮φ108mm注氮管路，實現(xiàn)跨步式埋設，埋入深度在30～70米范圍。
（5）在運輸順槽硬幫和開切眼硬幫進行噴漿，防止煤炭進入采空區(qū)后發(fā)生自燃。
（6）在地面中央砂井建設粉煤灰灌漿站，根據(jù)工作面傾向情況，定期向采空區(qū)內(nèi)灌漿。
（7）防止采空區(qū)漏風措施：由于N1-1502工作面屬于容易自燃煤層，為了減少采空區(qū)漏風，隨工作面的推進及時使用擋矸網(wǎng)+風筒布+金屬網(wǎng)，噴涂距離保證不超過工作面液壓支架5m。在成巷穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，對開裂處進行補噴封堵，盡可能的減少采空區(qū)漏風。經(jīng)過測量，工作面的壓差為120Pa，留巷與N1-1502工作面回風隅角壓差為123Pa，留巷段漏風量始終控制在50～80m?/min之間。通過一段時間觀測，采空區(qū)無自然發(fā)火征兆。
7結語
通過探索研究和實踐，在整個“110工法”無煤柱開采技術實施工程中，對施工情況每月進行一次總結，對每一個施工項目進行一次總結，對“切頂卸壓-沿空留巷” 無煤柱開采技術進行綜合總結。確保記錄下，施工過程中發(fā)現(xiàn)的問題，總結經(jīng)驗，為下一次施工提供技術及經(jīng)驗支撐。
曉南礦通過實施“110工法”新技術，取消護巷煤柱，可以有效提高煤炭資源回收率，延長礦井服務年限，減少巷道量掘進工作量，實現(xiàn)工作面連續(xù)開采，減少巷道圍巖壓力對工作面的影響，經(jīng)濟效益顯著。有利于緩解采掘接續(xù)緊張的問題，對于曉南礦安全高效開采具有重大的技術、經(jīng)濟、社會意義。對于相同地質條件下的其它煤礦，具有普遍指導意義和推廣應用價值。
參考文獻
[1] ?郭志飚《無煤柱自成巷110工法規(guī)范》[S]，中國煤炭建設協(xié)會，中煤建協(xié)字[2019] 80號。
作者簡介?：奚德明（1986年2月-），男，工程師。2009年畢業(yè)于遼寧工程技術大學職業(yè)技術學院礦山測量專業(yè)，現(xiàn)在鐵煤集團曉南礦工程地測大隊任技術主管，曾在省級刊物發(fā)表論文1篇，鐵法科技上發(fā)表論文1篇。聯(lián)系電話：13841079858。
王則行（1986年2月-），男，高工。2002年畢業(yè)于黑龍江科技學院采礦工程專業(yè)，現(xiàn)在鐵煤集團曉南礦工程地測大隊任隊長，曾在省級刊物發(fā)表論文9篇，鐵法科技上發(fā)表論文1篇。聯(lián)系電話：13591009582。
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