李村矿井下无煤柱综采作业的应用研究

谢永存

（山西潞安矿业集团有限公司李村煤矿，山西 长子 046600）

山西潞安矿业集团有限公司李村煤矿煤层顶板以砂岩为主，其煤岩的平均强度指数约为21MPa。基本顶主要是细砂岩，平均厚度约为17.2m，呈现出较为明显的分层结构，在局部位置具有明显的泥沙结构；直接顶主要是粉砂岩和泥岩的混合结构，平均厚度约为2.14m；直接底以泥岩为主并夹杂有一定量的中粒砂岩，平均厚度约为5.73m。在前期开采过程中主要采用预留煤柱的方案，导致井下煤炭的出采率较低，同时预留煤柱还容易导致巷道围岩的应力集中，给综采作业安全带来隐患[1]，因此公司专门开展了无煤柱成巷综采作业的研究，取得了极佳的效果。

1 无煤柱成巷工艺流程

李村煤矿井下无煤柱成巷工艺的总体流程为随着综采作业的进行，将巷道予以保留，作为下一个综采作业面的通道使用，形成边采、边掘进、巷道预留的流程[2]。无煤柱成巷作业时综采工作面和井下巷道平面布置结构如图1所示。

图1 井下综采面与巷道平面布置结构示意图

在进行无煤柱成巷作业时，首先沿着1201综采面盘区的四周掘进一条能为整个盘区提供作业的巷道，以此作为该盘区完整的物料传输和风流交换系统。当在图1中所示的i工作面时，可利用对井下三机一架配合关系的优化，满足当采煤机在刮板输送机的尾部综采作业时越过刮板输送机尾部形成弧形结构的巷帮，然后在采煤机采后区域的巷道顶板采用恒阻大变形锚索进行支护，并在综采作业面的头部进行顶板的定向切缝作业。在综采作业扰动的作用下，在人工设置的定向切缝外侧采空区域的顶板将在顶板来压的作用下向着采空区域垮落，落下的煤矸石堆积在液压支架后侧形成碎石巷帮。

由于井下巷道顶板岩层具有一定的碎胀特性[3,4]，碎石巷帮的堆积高度将高于垮落前岩层的厚度。因此当巷道顶的基本顶发生垮塌并将下方松散的岩层压实以后，该处的断裂的岩块和下侧切顶岩层的组合体共同构成一个一侧由垮落的煤矸石支护，另一侧由弧形的巷帮支护的稳定结构体，最终在底部形成一个稳定的巷道支护结构。煤矿井下无煤柱成巷工作面回采和成巷机理如图2所示。

图2 井下综采面回采及成巷原理

2 无煤柱成巷实践

在1201综采面设置4组恒阻锚索，巷道顶部岩层的重量约为25.9kN/m³，可计算出单位长度上的平均固定力约为326.8kN。为了确保对无煤柱巷道的保护效果，采用直径为22.3mm的钢绞线，其恒阻值约为366kN，满足无煤柱巷道的支护要求。在进行无煤柱成巷施工的过程中，在工作面每推进一个采煤步距，就对巷道顶板进行一次恒阻锚索施工，锚索之间的排距维持在0.76m左右，同时其纵向采用W钢带进行衔接。

在无煤柱成巷的前期，需对巷道顶板进行临时支护作业，在巷道靠近采空区的一侧每隔3m设置一个液压支架，额定工作阻力为50.2MPa，每个液压支架的实体煤的两侧各设置一个单体支柱，并在液压支架和支柱的顶部设置工字钢进行加强支护，满足无煤柱成巷时的支护可靠性。

当液压支架随着开采逐渐前移时，首先在巷道的前方设置一张钢筋护网，同时在支护液压支架的正下方对巷道的顶板实施锚索支护和定向爆破缝隙，使爆破缝隙位于巷道工作面的端头位置，在两个支架的顶梁之间，确保在实施爆破作业过程中顶板的稳定性。根据李村矿1201综采工作面井下的实际情况，为了确保切缝的彻底性，在预设的爆破孔内设置16组长度为180mm、直径为30mm的药包，爆破后的纵向裂缝率可达94%，裂缝贯通效果显著，井下爆破缝隙的扩展情况如图3所示。

图3 井下爆破缝隙情况

3 无煤柱成巷应用效果

1201综采作业面长度为264m，整个综采作业面的走向长度约为2173m，煤层赋存的稳定性较好，其煤层平均厚度4.21m，煤层硬度系数约为2.5，煤层的深度在110～155m之间，倾角约为1.56°。

在进行切缝设置时，同时在井下采空区进行恒阻大变形锚索主动支护和井下切顶护帮支护，其支护效果如图4所示。

根据实际验证，当综采作业面推进距离超过200m后，煤矿巷道顶板的下沉量基本稳定在50mm左右，此时对切顶护帮的应用支架进行回撤，巷道顶板在短时间内出现了一次下沉，最终巷道顶板的下沉量维持在了约65mm左右，完全满足下一个作业面综采作业需求。

图4 综采面无煤柱成巷效果

4 结论

（1）无煤柱成巷的流程为随着综采作业的进行，将巷道予以保留，将其作为下一个综采作业面的通道使用；

（2）开采过程中的碎石帮是通过采空区域顶板沿着切割缝垮落而形成的，因此无煤柱成巷的关键就在于对碎石巷帮和巷道顶板稳定性的控制；

（3）根据在李村矿的实际应用，在12个月的作业时间内，煤炭回采增加了约25万t，产生的直接经济效益约为8850万元。