巨厚坚硬砾岩顶板下无煤柱开采技术的应用.pdf

第32 卷增刊12023年6 月采选工程文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0281-07中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230230Vol.32,Suppl 1June2023巨厚坚硬砾岩顶板下无煤柱开采技术的应用刘晓宇1.2，于世波1-2，王志修1-2，曹聪1.2（1矿冶科技集团有限公司，北京10 2 6 2 8；2.国家金属矿绿色开采国际联合研究中心，北京10 2 6 2 8)摘要：介绍了东林煤矿巨厚坚硬砾岩顶板条件下的无煤柱开采技术应用研究，对试验工作面进行工程地质分区，设计了恒阻大变形锚索、三区爆破预裂和巷内及挡研支护方案，经过现场工业性实验和矿压监测，成功将无煤柱开采技术应用在巨厚坚硬砾岩顶板条件矿山。研究补充了无煤柱开采技术体系，提出的技术和方法适用性强，对于相关的煤矿安全高效开采也具有一定的指导意义。关键词：切顶卸压；坚硬顶板；无煤柱开采；爆破预裂；矿压监测中图分类号：TD754Application of no coal pillar mining technology under huge hard conglomerate roof2.National Centre for International Research on Green Metal Mining,Beijing 102628,China)Abstract:This paper introduces the application research of non-coal-pillar mining technology under thecondition of extremely thick and hard conglomerate roof in Donglin Coal Mine.The engineering geologicaldivision of the test working face is carried out,and the constant resistance and large deformation anchorcable,blasting pre-cracking,and roadway and gangue retaining support schemes are designed.After on-siteindustrial experiments and mine pressure monitoring,the coal non pillar mining technology is successfullyapplied mine in extremely thick and hard conglomerate roof conditions.This study supplements the non-coal-pillar mining technology system,and the proposed technology and method have strong applicability,and alsohave certain guiding significance for the safe and efficient mining of related coal mines.Keywords:roof cutting and pressure releasing;hard roof;no pillar mining;pre-split blasting;pressuremonitoring由何满潮院士提出的无煤柱自成巷开采技术（又称“110 工法”)至今已经发展十余年，由于具有明显的技术和经济优势，近年来该技术成为中国煤矿推广应用非常广泛的一项技术，并取得了巨大的社会影响力2-41。目前从全国推广应用和研究进展的情况来看，简单的顶板地质条件下无煤柱开采收稿日期：2 0 2 3-0 4-11责任编辑：边晶莹基金项目：国家重点研发计划项目“深井大规模开采岩体力学理论与动力灾害防治技术”资助（编号：2 0 2 2 YFC2904100）；矿冶科技集团有限公司青年科技创新基金资助（编号：0 4-2 341）第一作者简介：刘晓宇（1990 一），男，汉族，山西长治人，博士，工程师，主要从事深部采矿岩体力学与灾害防治方面研究工作，E-mail:。引用格式：刘晓宇，于世波，王志修，等.巨厚坚硬砾岩顶板下无煤柱开采技术的应用J.中国矿业，2 0 2 3，32（S1）：2 8 1-2 8 7.LIU Xiaoyu,YU Shibo,WANG Zhixiu,et al.Application of no coal pillar mining technology under huge hard conglomerate roofJJ.ChinaMining Magazine,2023,32(S1):281-287.文献标识码：ALIU Xiaoyul-,YU Shibol.2,WANG Zhixiul-,CAO Congl-(1.BGRIMM Technology Group,Beijing 102628,China;技术已趋向成熟5-8，而对于厚层坚硬顶板的无煤柱自成巷110 工法开采的研究和成功案例较少9-11,尤其巨厚砂砾岩顶板条件的研究鲜有 。厚硬顶板在煤矿分布非常广泛12 ，厚层坚硬顶板占中国煤矿比例的1/3，这些岩层一般为厚层整体结构，岩体中的层理、节理和裂隙都不发育。厚硬282顶板常见的灾害就是由于不能及时垮落，造成顶板的大面积来压，需要对顶板进行特殊的弱化处理12 。对于无煤柱开采技术，首先就是要控制顶板的垮落，因此厚硬顶板条件下的相关研究非常重要。研究了巨厚砾岩坚硬顶板下的无煤柱开采方法，针对性地提出相应的设计方案，通过现场试验验证了方法的有效性。1工程概况巨厚坚硬砾岩顶板无煤柱开采技术应用的代表性试验矿井为内蒙古东林煤矿，其位于中国东北部内蒙古镶黄旗境内，是一座年产12 0 万t的现代化综合机械化开采煤矿。试验巷道为W1-106工作面TW1-105工作面密闭W1-106运输顺槽（留巷12 53m）W1-106工作面W1-106回风顺槽图1试验工作面布置图Fig.1 Layout drawing of test working surfaceW1-106工作面所采煤层为1号煤层，结构较简单，平均厚度3.0 2 m，属于中厚煤层。工作面煤层倾角一般2 10,埋深为90 17 0 m。煤层顶板为古河流冲刷后沉积形成，凹凸不平的小型沟壑极为发育,尤其是工作面两个切眼内，因受冲刷及断层影响，顶板倾角大，起伏剧烈，且破碎带附近帮顶片落严重。直接顶局部均发育有泥岩、泥质砂岩、薄煤，形成三者互层的结构，最小厚度0.2 0 m，最大厚度6.00m。基本顶为坚硬的砂砾岩，厚度在14.51136.00m，平均8 1.6 3m。煤层底板为深灰色砂质泥岩，泥质结构，块状构造，较硬。表1为W1-106工作面煤层顶底板岩性描述。2无煤柱开采设计图2 现场采空区顶板垮落巨大砾岩研石2.1工程地质分区Fig.2Huge conglomerate gangue collapsed on the roof of为了得到更加合理的设计依据和设计参数，需the mined-out area on site要对留巷顶板结构进行岩性探测，了解顶板岩层岩表1W1-106工作面顶底板岩性描述Table 1Roof and floor lithologies of the W1-106 working face顶底板名称岩性基本顶砂砾岩直接顶（局部）泥岩/泥质砂岩互层1#煤层煤层直接底砂质泥岩中国矿业胶运顺槽，该巷道断面为矩形，共形成无煤柱自成巷1253m。巷道为3.8 mX3.0m的矩形断面，采用锚网支护。试验留巷工作面（W1-106工作面）相邻工作面为W1-107工作面和W1-105工作面，W1-107工作面已经采空，W1-105工作面为接续工作面。工作面布置及试验成巷位置如图1所示，现场观察到邻近采场顶板垮落情况如图2 所示。W1-106工作面上方为巨厚坚硬砾岩顶板结构，直接赋存在煤层上方，平均厚度达8 0 m。相邻回采工作面的经验表明，经过在回采巷道进行超前深孔预裂爆破后，老顶的初次来压步距10 0 m以上，周期来压步距35 m以上。风门西-2 回风中巷回撤通道西-2 运输中巷停采线回撤通道W1-107工作面厚度/m141360.26.02.33.83.757.36第32 卷特征描述锈黄色或深灰色。砂泥质胶结，砾状结构，块状构造，砾石浑圆状，分选性差泥岩/泥质砂岩灰黑色。泥质结构，块状结构，夹薄煤层黑色，沥青光泽，均一块状结构深灰色，泥质结构，较硬增刊1性分布规律。在现场进行钻孔探测顶板岩性详查，地质面图以及顶板结构分区图，如图3所示。顶板的岩性分布是无煤柱开采关键参数设计的最重要元素之一，对留巷顶板上方15m内做顶板岩性剖面图。现场钻孔施工表明，留巷两端老顶为厚层坚硬砂砾岩，呈灰白色至深灰色，整体性强，结构较致密，砾石浑圆状。留巷中间处老顶为薄层砂砾岩，顶板冲刷泥化严重，呈锈黄色，泥质胶结，结构较疏松。以井下通尺TC1280区段为留巷起点进行分区，TC1210区段TC760区段,TC510区段TC20区段顶板为超过15m的厚层坚硬的砂砾岩顶板，TC860区段TC500区段顶板为较软弱的黄软含泥沙冲刷带顶板结构。只介绍和讨论厚层坚硬的砂15m坚硬含砾砂岩顶板10m5mTC1250TC1200 TCi100TC1280顶板之工作面准进巷道TC1250厚度/m岩性恒阻锚索切缝线9 m21.8mmx11.300mm15.0砂砾岩刘晓宇，等：巨厚坚硬砾岩顶板下无煤柱开采技术的应用黄软含泥砂复合顶板（冲刷带）坚硬含砾砂岩顶板TC1000TC900TC800TC700TC600TC500 TC400 TC300TC200TCi00TC50坚硬顶板结构软弱顶板结构TC860图3地质剖面及分区设计Fig.3 Geological section and zoning design黄软泥化（冲刷带）坚硬合砾砂岩TC1000柱状283砾岩顶板区段的设计和现场应用情况。2.2恒阻大变形锚索设计根据顶板岩性和以往经验设计了恒阻锚长11.3m，切缝孔的切顶高度为9m，切缝角度为7 5。恒阻大变形锚索总数共分别纵向布设两列，锚索垂直于顶板，锚索长度11.3m，使用3根锚固剂。恒阻大变形锚索设计两列，边锚索/切缝侧设计为第一列,距离巷帮为0.5m,锚索的排距为1m,中排锚索为第二列，锚索布置在巷道中部，锚索的排距为2 m。边锚索/切缝侧恒阻锚索设计每三根锚索之间采用W钢带连接，以提高切缝侧锚索支护顶板的整体强度，设计及现场的施工效果如图4所示。坚硬含砾砂岩顶板顶板较破碎坚硬顶板结构(巨厚砾岩)TC50015m煤线10m5m破碎顶板0TC800TC60015m11m锚索10.m8.7m钻孔5mTC20TC400TC200TC501号3.2煤层3.9细砂岩Fig.4Constant resistance and large deformation anchor cable and roof-cut pre-split hole design2.3炒爆破预裂设计针对巨厚坚硬砾岩顶板的无煤柱自成巷安全开采，为了保证顶板安全垮落和避免回采期间顶板大面积来压，设计并采用了三区预裂爆破技术20 x20009005003.800图4恒阻大变形锚索和切缝孔设计及现场效果图and on-site construction effect and worker operation处理顶板。在超前工作面的巷道中，对无煤柱开采的采空区顶板进行三区预裂弱化顶板，可以减少工作面回采过后采空区顶板的悬顶距离，实现安全顺利留巷。284在巷道中每隔15m进行深孔爆破顶板，如图5所示，其中，I区为沿巷道切顶钻孔（O)，区设计五个深孔（E、D、G、F、H)，沿巷道走向后方，向采空区成一定角度。区爆破设计三个深孔（A、B、C)，与巷道走向垂直。顶板预裂和碎裂爆破使用不同的专业钻机完成钻孔的施工，爆破也采用不同的工艺。图5为三区预裂爆破设计、现场所使用工具以及现场施工效果。中国矿业I区进行切断顶板爆破,选用32mmX200 mm，200g/卷，炮孔直径50 mm，需使用特制的6 根聚能管，装药方式为5-5-4-3-2，装药参数见表2。区、区进行一般深孔碎裂爆破顶板，选用2 号煤矿许用乳化炸药为爆破孔装药，选用的炸药药卷规格为60mmX500mm，1.5k g/卷，炮孔直径7 5mm，装药参数见表3和表4。不需要加聚能管，只需在孔内按照设计药量连续装药。第32 卷区区区15m15m区钻机A区亚区FDHGE0区图5三区预裂爆破设计和施工Fig.5 Three-stage pre-splitting blasting design and construction表2 I区切缝孔爆破参数Table 2Parameters of roof-cutting pre-splittingblasting in zone I炮眼与底板钻孔长度/夹角/孔径/长度/装药量/雷管/长度/装药编号mmmm09Table 3Parameters of deep hole blasting in zone II炮眼与底板钻孔孔径/长度/夹角/编号mmm()A51B32C22Table 4Parameters of deep hole blasting in zone II炮眼与巷道与底板钻孔孔径/长度/夹角/夹角/编号mmmmD19E12F15G9H18BC装药封泥kg枚m75507.5表3I区深孔爆破参数装药装药量/雷管/长度/长度/kg枚mm117516752375表4亚区深孔爆破参数装药装药量/雷管/长度/长度/kg枚m60266044302615401519区和区钻机2.4巷内及挡研支护设计工作面支架后在留巷位置的0 2 0 0 m范围内，设计采用“元梁十单体支柱”作为临时抵抗巷道变形支护，如图6 所示。使用3m长的元梁，一梁三方式柱，棚距1m，遇到巷道存在顶板破碎区域和节理断3.612.55-5-4-3-2封泥3410222661542751375875107557512层带附近需要加密支护。根据矿压监测结果，设计滞后工作面18 0 m以外留巷范围，可以对元梁和单体支柱进行有序回撤，增加循环使用效率。挡研采用U型钢支架，间距为50 0 mm并用拉杆连接。21721127封泥392242302152362临时支护U型挡研图6 巷道临时支护和挡研支护Fig.6Temporary roadway support and6gangue retaining support45463现场应用效果图7 为整个厚硬顶板无煤柱开采工艺流程。从图7 可以看出，经过预裂之后厚硬砾岩顶板顺利垮增刊1落的完整过程。整体的施工顺序为：施加恒阻大变形锚索顶板预裂切缝（I区）顶板深孔爆破（区和区)巷内单体支护工作面推采过去采空区顶板逐渐垮落采空区顶板完全垮落巷道稳定，回撤单体支架。整体的施工顺序互不影响，现场效果良好，表明在厚硬砾岩顶板条件下可以实现无煤柱安全开采。对工作面支架压力进行监测，分析爆破卸压的效果。图8 为整体时空压力曲线，可以看出厚层坚硬砾岩顶板无煤柱开采周期来压比较明显，成一定刘晓宇，等：巨厚坚硬砾岩顶板下无煤柱开采技术的应用285的步距，同时来压的强度较大。通过对1端头支架和工作面中部36#支架压力对比，端部支架的平均压力2 0.8 0 MPa,最大为2 8.6 5MPa，中部支架的平均压力2 0.8 0 MPa，最大压力为47.2 0 MPa，说明端部三区预裂爆破可以碎裂周期来压内范围内的岩石，降低岩石的块度，达到减小来压的强度，证明设计的合理性。同时端部初次来压步距为40.8 m，周期来压步距为17 2 3m，中部初次来压步距为47.2 m，周期来压步距为2 2 30 m，而该矿邻近工作面的周期来(1)(2)(3)4(7)6图7无煤柱开采工艺流程Fig.7Non-pillar mining process液压支架45140压力/MPa3530最大值 2 8.6 MPa.17.4 m257000700600600500￥5 0 0 米回400400300200100100液压支架架号(a)一1#支架压力平均6.6m17.8 m23.3.m40353025300201520010100505002015105初次来压步距40:8 m00306090120150180210240270300330360390420450480510最大值47.2 MPa平均值45140353025201510初次来压步距547.2;m0306090120150180210240270300330360390420450480510图8 工作面液压支架压力变化Fig.8The hydraulic support pressure curve平均2 0.8 MPa周期来压步距1723 m24.5m周期来压步距2230m;工作面回采距离/m(b)-36#支架压力21.7m_平均值29.1 MPa286压步距为35m，说明设计一定步距的三区预裂爆破有效地缩短了周期来压的距离，同时降低端头支架区域来压的强度。形成无煤柱自成巷的巷道位移随推进距离的变化情况如图9所示。由图9可知，随着与工作面距离的增加，顶底板和两帮的收敛逐渐趋于稳定。对3001一一顶底板移近一顶板下沉250底鼓200150100-10m500十020406080100120140160180200220240260滞后工作面/m(a)Fig.9 Displacements of automatically formed roadway4结论1）针对东林煤矿巨厚坚硬砾岩顶板条件下无煤柱开采进行了工程地质分区、恒阻大变形锚索、三区爆破预裂和巷内及挡研支护设计，工业性试验表明整体的施工顺序互不影响，现场效果良好。2）三区爆破预裂方法可提前使采空区的顶板垮落，大大地降低了矿山压力，有效地缩短了周期来压的距离，同时降低端头支架区域来压的强度。3）巨厚坚硬砾岩顶板无煤柱开采自成巷道稳定时的顶底板位移量为2 7 6 mm,两帮位移量为150 mm,可满足下一个工作面回采需要。参考文献1张国锋，何满潮，俞学平，等.白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技术研究J.采矿与安全工程学报，2 0 112 8（4）：511-516.ZHANG Guofeng,HE Manchao,YU Xueping,et al.Researchon the technique of no-pillar mining with gob-side entryformed by advanced roof caving in the protective seam in Bai-jiao coal mineLJJ.Journal of Mining&.Safety Engineering,2011,28(4):511-516.2 何满潮，宋振骐，王安，等.长壁开采切顶短壁梁理论及其110工法：第三次矿业科学技术变革J.煤炭科技，2 0 17(1):1-9,13.HE Manchao,SONG Zhenqi,WANG An,et al.Theory oflongwall mining by using roof cuting shortwall team and 110method the third mining science and technology reformJ.Coal Science&Technology Magazine,2017(1):1-9,13.中国矿业于顶底板的收敛情况，当滞后工作面2 0 m左右时，顶板开始快速下沉。在工作面后方2 0 0 m左右位置时，顶板运动趋于稳定，稳定时的顶底板位移量为276mm左右。对于两帮的收敛情况，在工作面后方90 m左右位置时，两帮的收敛逐渐稳定，稳定时的两帮位移量为150 mm左右。180一左右帮移近一挡研移近150煤壁移近12090603090m202 m图9无煤柱自成巷道位移情况 3J HE M,ZHU G,GUO Z.Longwall mining“cutting cantileverbeam theory and 110 mining method in China:the third min-ing science innovationJ.Journal of Rock Mechanics andGeotechnical Engineering,2015,7(5):483-492.4何满潮，王琦，吴群英，等.采矿未来：智能化5GNO0矿井建设思考J.中国煤炭，2 0 2 0，46（11）：1-9.HE Manchao,WANG Qi,WU Qunying,et al.The future ofmining:thinking on intelligent 5G No0 mine constructionJJ.China Coal,2020,46(11):1-9.5马新根，何满潮，李钊，等.复合顶板无煤柱自成巷切顶爆破设计关键参数研究J.中国矿业大学学报，2 0 19，48（2）：2 36-2 46.MA Xingen,HE Manchao,LI Zhao,et al.Key parameters ofgob-side entry retaining automatically formed by roof cuttingand blasting in compound roof conditionLJJ.Journal of ChinaUniversity of Mining&.Technology,2019,48(2):236-246.6 朱珍，何满潮，王琦，等.柠条塔煤矿自动成巷无煤柱开采新方法J.中国矿业大学学报，2 0 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