双向快速无煤柱结束工作面研究与实践研究

周俊林

摘 要：21世纪以来，随着我国经济的迅猛发展，煤炭等化石能源需求量也迅速增加，煤炭在我国能源结构中占主体地位，但是煤炭是不可再生资源，如何能够高效的利用煤炭是当下研究的重要课题。

关键词：双向快速;无煤柱;煤炭资源

中图分类号：TD327.2 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0123-02

0 引言

无煤柱开采有利于开发煤炭资源，提高煤炭回采率。据我国多数矿井应用无煤柱开采技术数据表明，无煤柱开采一般可提高回收率10%-20%，同时能很大程度地消除易自燃煤层自燃发火根源，对于降低瓦斯涌出也有显著效果，通常能使风流中瓦斯含量减少30%-50%。峰峰集团属于老牌的煤炭生产基地，自成立至今已有一百多年的开采历史，随着资源储量的不断开采，很多矿井进入了或即将进入资源枯竭期，工作面布置多为回收边角煤，地质条件复杂，单面储量小，搬家倒面次数多，为尽可能回收煤炭资源，延长矿井寿命，我们提出了双向快速无煤柱结束工作面方案。

以往工作面结束均采用保留煤柱形式进行结束，工作面在距联络巷或集中回风巷20m左右位置结束，既不安全又浪费煤炭资源，此次无煤柱结束工作面技术是在以往沿空留巷技术基础上，根据2706工作面顶板特点以及以往经验进行可行性分析，决定在新三矿162706工作面实施无煤柱结束工作面技术，本课题共分两个方面：（1）顶板预加固，使得工作面结束期间顶板得到有效支撑，为拆除设备提供了安全保证。（2）拆除时利用液压支架调移装置快速结束工作面，通过这两方面技术的研究应用，为无煤柱结束工作面提供借鉴资料，提高煤炭资源回收率。

1 研究的目的和意義

工作面结束以后为了保护周围巷道，往往采取留设区段保护煤柱的方式结束，虽然客观上对巷道有一定的保护作用，但是对煤炭资源回收以及出支架期间顶板管理十分不利，经过长期实践和技术改革，实现了无煤柱结束工作面，并提高了工作面拆除支架期间顶板的可靠性。

（1）采用“槽钢、锚索+木梁棚子+支架”联合支护措施，成功保留联络巷，实现工作面无煤柱结束，多回收原结束方案预留的煤柱，提高煤炭资源回收率，延长回采时间，同时成功保留162706工作面的联络巷，可为掘进162704底层工作面服务。（2）首次采用TYH-300型液压支架调移装置（机械手）回撤支架，降低工人劳动强度，每班出支架4个，全天出支架8架，提高效率33%以上，工作面出支架使用机械手，避免底板拖移支架期间，对周围施工人员构成威胁，保证作业环境可靠。（3）缩短所出支架提前靠联络巷上帮摆放，减少出支架用工投入，同于与锚索、槽钢加固联合支护，有效的控制巷道围岩变形。

2 研究主要技术内容

2.1 联络巷加固

为了保证工作面能够正常推到联络巷，在工作面距联络巷不小于50m时，提前对联络巷进行加固支护。162706 联络巷下帮钢带端头和距钢带端头1.1m位置打设两排锚索并用工字钢连锁，间距0.6m。工字钢采用长2.6m，孔距1.1m，锚索采用长度10m，直径21.6mm的低延伸率钢绞线。联络巷打锚索完成后，在下帮打设两排单体对顶板加强支护，单体间距1m。工作面距离联络巷7m时，开始上网上绳。待工作面和联络巷推透后伸缩梁全部伸出护顶，支架前梁距联络巷上帮1-1.5m时，停止移支架，开始拆除工作面设备，进行出支架工作。

工作面结束出支架直接在联络巷中进行。为了保证联络巷能够承受采动带来的压力影响，为完成此项技术工程顺利进行，我们准备分二个阶段来完成工作面的结束。第一阶段：工作面联络巷进行加固。联络巷长度75m，联络巷原锚索“三三”隔带布置，按“三三”逐带补齐锚索进行加固，排距1.3m，联络巷打锚索完成后，在下帮打设两排单体。第二阶段：工作面结束后进行出支架工作，随着支架外运，支架正上顶网随顶板下垂成为挡砟网，可挡住正后老空区砟，提高工作面结束安全性。

2.2 沿空留巷支护工艺

借鉴以往无煤柱回采结束自切顶留巷成功经验，将自然平衡拱与悬吊理论作为理论依据，确定科学合理的支护强度，顶板压力计算如下：

（1）自然拱高度计算：

自然平衡拱高度计算根据《采矿工程设计手册》深部巷道矿压计算公式计算，巷道顶板破碎时：

b1===3.36m

式中：b1—巷道自然平衡拱高度;a—巷道跨度之半，取2.2m;h—巷道高度，取2.8m;φab、φ'd—巷道顶帮围岩内摩擦角，取45°。

（2）巷道顶板压力计算：

Pd=2rdab1=2×25×2.2×3.36=369.6KN/m2≈ 0.37MPa

式中：Pd—巷道顶压，KN/m2;rd—顶板岩石容重，取25 KN/m3;a—巷道跨度之半，取2.2m;b1—巷道自然平衡拱高度。

（3）支护强度计算：

1）锚网梁支护强度计算：选用锚索φ21.6mm，长度10m，已知锚索破断力490KN，设计锚固力200KN。计算单根锚索所需锚固力：

Q固=Q÷N×K=539.1÷3×1=179.7kN

式中：Q一个步距巷道锚索支护顶板岩层冒落重力，539.1kN;N一个步距巷道支护所需锚索根数，3根;K—安全系数，取1。

单根锚索所需锚固力同时满足Q

P'd=n×Rt=3×179.3=537.9kN/m2=0.53MPa>0.37 Mpa

2）木梁棚子支护强度计算：

P'd=n×Rt=3×150=450kN/m2=0.45MPa>0.37Mpa

式中：P'd—实际支护强度;n—单位面积内单体液压支柱数量，取3;Rt—单体液压支柱额定支撑力，取150KN。

3）上帮支架支护强度计算：

联络巷上帮顶板采用ZF2000/15/23轻放支架，支架初撑力1700-2087KN，支护强度：P'd=0.43～0.51Mpa>0.37Mpa。

沿空留巷施工工艺分为三部分：（1）超前煤壁50m对联络巷进行加固，在联络巷上、下帮距钢带端头0.8m位置各打设一排锚索配合槽钢连锁。（2）联络巷打锚索加固后，顺巷道倾向使用直径不小于18cm、长度不小于的木梁配单体支护顶板，一梁三柱，棚距1.6m，要求木梁靠工作面方向要顶紧煤帮，以便联络巷割透后支架前梁直接挑住支护木梁。（3）将上头缩短所出支架，靠联络巷上帮沿走向依次摆放，与补强支护的锚索配槽钢组成“联合”支护。

2.3 出架方案

采用TYH-300型液压支架调移装置（机械手），实现快速回撤支架，工作面支架回撤采用双向快速回撤支架，即外联络巷支护支架与工作面支架先后依次外调，走向支架作为出架通道临时支护。

3 研究的思路及方法

3.1 研究方法

（1）现场调查法。通过现场调研，优化工作面结束计划，确定无煤柱开采研究方向;（2）理论分析与计算。基于自然平衡拱与悬吊梁理论科学计算沿空留巷顶板压力，合理确定沿空留巷支护方案;（3）现场实测（矿压观测）法。项目实施过程中，通过现场矿压观测，验证沿空留巷支护方案可行性。

3.2 实施路线

现场调研确定无煤柱结束研究方向→理论分析与计算确定沿空留巷支护方案→市场考察，引进TYH-300型液压支架调移装置（机械手），制定出架方案→工业性实验→矿压观测，验证支护方案可行性→项目实施效果分析总结→项目实施方案、工艺优化→推广应用。

4 取得的主要成果

（1）实施无煤柱双向快速结束方案，成功回收了原结束方案需要留设的煤柱，提高资源回收率。（2）采用“槽钢、锚索+木梁棚子+支架”联合支护，有效控制巷道围岩变形，成功保留联络巷，大大减少巷道整修工作量，保证安全生产。（3）施工简单方便，不影响工作面正常推进，超前加固即可。对于回采工作无任何影响，上头缩短出支架可放置联络巷上帮，作为临时支护的同时也能缓解人员紧张。（4）回撤支架放顶前，只需摆木垛留假风道，确保结束期间的正常通风。（5）首次引进机械手回撤支架，发挥科技创新优势，为其他工作面安全快速结束奠定基础。

5 效益分析

5.1 经济效益

（1）应用无煤柱双向快速结束工作面方案，走向多推进35m（L），平均采长60m（C），采高3m（H），容重1.45，煤价600元/吨（J）。计算经济效益：S=L*C*H*1.45*J=35*60*3*1.45*600= 548.1万元。

（2）加快支架回撤速度，节省人工成本。工作面结束出支架48架，以往三班出支架，每班出2架，每天用工30个，需要8天完成;现在两班出支架，每班出4架，每天用工16个，实际6天完成，节省用工数144个，降低人工成本为144* 300=4.3万元。

（3）减少材料损耗。上网、上绳位置推延4m，减少60m长钢丝绳4条，10m矿用塑料网15卷，节省支护材料成本5万元。累计直接经济效益：548.1+4.3+5=557.4万元。

5.2 社会效益

（1）改变了以往出支架顶板随即下沉影响安全的情况出现，提高了工作面结束安全系数和施工效率，解决了长久以来结束工作面顶板管理困难、容易出顶板事故的局面。（2）大大提高了资源回收率。留巷可实现无煤柱护巷开采，减少一条区段保护巷煤柱，提高煤炭资源回收率，实现了煤柱全部回收，对缓和采掘接续紧张和延长矿寿命具有重大意义。

6 项目的应用与推广

双向无煤柱结束技术一次性回收煤柱，避免区段煤柱损失，提高了單面产量，其工艺简单，成本低、收益多、安全系数高，既能保证安全生产，又实现了经济效益与社会效益双赢，对于促进煤矿安全高效生产具有深远意义。该工艺在新三矿162706工作面应用后，取得极大的经济效益，对此类条件下工作面结束有很好的借鉴意义，具有极大地推广价值。