110工法在金凤煤矿倾斜厚煤层的研究及应用

王克权 裴元成

（神华宁夏煤业集团金凤煤矿，宁夏吴忠751504）

摘要“110工法”在金凤煤矿倾斜厚煤层的应用属全国首个探索实验项目，填补了国内外倾斜厚煤层“110工法”开采技术在相关地质条件下应用的空白，为“110工法”技术在其他矿井倾斜厚煤层的应用提供了实践参考。

关键词 煤矿 倾斜厚煤层110工法

1金凤煤矿倾斜厚煤层的“110工法”设计

1.1工作面概况

金凤煤矿011810工作面埋深214～329 m，煤层厚度3.3～4.2 m，平均厚度3.75 m，工作面倾角12°～32°，机巷走向最大坡度13°（图1）。直接顶为1.5～4.5 m细泥岩，基本顶为7～9 m粉砂岩、细砂岩互层。直接顶岩石普氏系数f=5～6。瓦斯相对涌出量0.00 m3/T，绝对涌出量0.00 m3/min。属Ⅰ类易自燃煤层、最短自燃发火期为41天。煤尘具有爆炸危险性，爆炸指数为31.78%。

图1 011810工作面平面布置图

1.2“110工法”原理

鉴于传统无煤柱开采技术方法之不足，基于长壁开采工作面布置、顶板跨落规律以及长壁开采工作面矿压分布规律，课题针对金凤煤矿倾斜厚煤层长壁开采提出一种新的成巷技术方法，即倾斜厚煤层切顶卸压自动成巷无煤柱安全开采技术，或称为倾斜厚煤层长壁开采“110工法”（简称倾斜厚煤层“110工法”）。这种新的自动成巷方法通过改变传统长壁开采一面双巷模式，采用定向预裂切顶留巷技术，将上一区段工作面上顺槽维护保留，作为下一区段工作面回采的下顺槽，从而实现单面单巷开采。它具有能够消除邻近工作面煤体上方应力集中，减小采掘比，提高生产效率，减少资源浪费，避免因煤柱留设造成的煤与瓦斯混合突出、冲击地压、煤体自燃等地质灾害的发生，属于一种安全高效经济科学的开采新技术。

1.3金凤煤矿011810工作面“110工法”施工设计

1.3.1倾斜厚煤层“110工法”施工难点

本项研究拟解决金凤煤矿厚煤层自动成巷“110工法”的关键技术问题，主要包括：倾斜厚煤层自成巷“110工法”顶板压力估算问题，倾斜厚煤层自成巷“110工法”切顶关键参数设计问题，倾斜厚煤层自成巷“110工法”挡矸优化改造问题，倾斜厚煤层自成巷“110工法”矸石塌落成型、岩石碎胀规律、恒阻锚索支护机理、气体运移规律及控制问题等。通过具体工程应用研究，形成倾斜厚煤层切顶卸压自动成巷无煤柱安全开采与巷道支护技术。

1.3.2“110工法”施工方法设计

根据掘进地质资料，以及工作面基本参数可以看出，该工作面采高大，煤层倾角大，属于倾斜厚煤层，侧向压力大。在“110工法”施工过程中，碎石帮侧向压力达到2.5～3.6兆帕。该矿依据相应理论计算，针对011810工作面不同地质条件地段，设计了相应的现场施工参数，将011810机巷沿切眼方向分为了0～100 m及100～550 m两种参数实施区域。其中0～100 m，直接顶粉砂岩厚度小于9 m，根据工作面倾角，设计切缝高度9 m，角度为20度，恒阻锚索长度12.3 m;100～550 m直接顶粉砂岩厚度9 m以上，并根据工作面倾角，设计切缝高度为10 m，角度为5度，恒阻锚索长度12.3 m。

“110工法”留巷的稳定性是留巷成功的关键，为保证切顶过程和周期来压期间巷道的稳定性，在对巷道顶板进行预裂切顶前需采用恒阻大变形锚索加强支护。根据巷道原有支护方式、巷道变形情况及矿压现象情况，共布设3列，切缝侧排距1000 mm，恒阻锚索距巷帮500 mm，与水平面夹角90°，该列恒阻锚索施工时加设W钢带；巷中布设一列恒阻锚索，排距1500 mm，与水平面夹角90°；实体煤侧距实体煤帮500 mm布设一列，与铅垂线夹角10°，排距3000 mm。恒阻大变形锚索直径取为21.8 mm，根据切缝参数及巷道顶板稳定岩层位置，锚索长度取12.3 m，恒阻器长500 mm，外径79 mm，恒阻值为（33±2）t，锚索与巷道顶板垂直，预紧力不小于28 t（如图2、图3所示）。

图2恒阻锚索布置平面图

图3恒阻锚索布置剖面图

1.3.3“110工法”应用

1.3.3.1恒阻大变形锚索施工

恒阻大变形锚索具有恒阻、吸能、防冲等超常性能，能更有效地适应顶板变形，从而有效控制顶板。恒阻大变形锚索的施工是留巷成功的关键，011810工作面机巷设计断面为异矩形，依据现场实际情况，为保证恒阻锚索提供最大悬吊力、防止恒阻锚索铅垂受力发生剪切破坏，我们在恒阻锚索施工过程中，及时调整相应对策，设计研发了楔形托盘，并成功应用于现场工作中。

1.3.3.2切顶爆破孔施工及爆破预裂

炮眼距机巷上帮200 mm位置布置，炮眼距500 mm；钻头直径为Φ46 mm；孔深10 m，沿工作面倾向与巷道顶板成85°夹角，炮眼在工作面开采前一次施工完毕。

工作面开采前，对切顶孔进行定向爆破，预裂切缝，形成切顶卸压预裂切缝线。现场爆破使用矿用二级乳化炸药，外径Φ32 mm，长200 mm。每个聚能炮孔在装药前，先在巷道内按照爆破装药设计参数从孔底聚能管开始连续装药，并安设雷管和引线，然后将引线穿过第二根聚能管，并将第二根聚能管与第一根聚能管用连接件连接，然后在第二根管内开始连续装药并安设引线，重复按照上述方法，依次完成全部聚能管装药。要求每个聚能管内采用连续装药，每个聚能管设置一个雷管，未装药聚能管则不需设置雷管。根据切缝高度及顶板岩性，011810工作面分区爆破参数经现场试验9 m切缝孔爆破参数为43321,10 m切缝孔爆破参数为44332。根据不同位置岩性确定最佳爆破参数，顶板岩体越硬，炸药量需相应增加。实验证明，爆破预裂后，对采煤没有影响。

1.3.3.3防冲自移式挡矸

金凤煤矿依据011810工作面煤层倾角起伏较大、侧向压力大的地质特点，设计制作了011810工作面机巷架后自移式挡矸设备，随端头架前移，跟随端头支架形成挡矸空间。在现场取得了较好的效果，不仅为工人作业提供了安全空间，对切落矸石亦形成有效阻隔（如图4所示）。

图4防冲自移式挡矸板设计图及实物照

1.3.3.4综合防灭火

“110工法”留巷过程中，因未提前布置边界巷道辅助运料，不能及时对留巷段喷浆成巷。为最大限度减小采空区漏风，碎石帮里侧增设风筒布，配合柔性网对采空区进行封堵，隔离采空区及沿空留巷，杜绝瓦斯等有害气体涌出。同时，利用回风巷布置的黄泥灌浆管路，每周一次对采空区进行黄泥灌浆，综合防止采空区煤炭自燃。

2留巷矿压规律

巷道开挖及切顶作业破坏了巷道周围岩体中原始地应力的平衡状态，围岩应力重新分布，并使得围岩变形与破坏。采用切顶成巷技术后，巷旁由实体煤变为松散矸石，围岩会发生变形以寻求稳定。对留巷段不同位置进行布点观测，主要监测靠近切缝侧和靠近煤柱侧巷道顶底板及两帮变形情况，测点布置如图5所示。

图5巷道围岩变形测点布置

2.1顶底板移近量

对留巷段不同位置布设监测点，预先在顶底板进行标记，运用卷尺及顶底板移近仪进行精确测量。通过对不同巷段顶底板移近量变化情况进行分析发现以下规律：

（1）顶底板移近大致可分为三个阶段：第一个阶段为架后40 m之内，此段巷段距工作面较近，受采动影响，老顶回转下沉，尤其在端头架后40～60 m顶底板会有明显移近，说明顶板已经有一次大的来压作用；第二阶段为架后60～130 m，此阶段顶板仍没有完全稳定，仍受到矸石压实过程中的动压影响，但增长速度较第一阶段有所放缓；第三阶段为架后130 m之后，此阶段所留巷道巷旁的矸石已压实，主动支护、被动支护与顶板压力达到一个区域平衡的状态，顶板有微量下沉，下沉速度也明显减少，不同位置及地质条件可能会稍有差别。

（2）以每天下沉量不超过3 mm为巷段趋于稳定的评判标准，对不同位置的巷道稳定距离进行统计发现，多数巷段在架后150～180 m位置顶底板移近变化已经很少，部分巷段架后200 m区域稳定（例如4#测点和7#测点位置），且240 m之内基本都达到稳定状态。因此从顶底板移近量这一因素整体考虑，初步判断金凤矿倾斜大采高切顶成巷架后240 m位置为保守稳定区，240 m后可回撤临时支护设备。

（3）通过对切缝侧和煤柱侧顶底板移近量进行对比发现，前期切缝侧顶板下沉明显多于非切缝侧，说明切顶后在碎矸的摩擦下坠作用及老顶的回转下沉作用下，切顶短臂岩梁发生回转。可以发现，切缝侧最终下沉在150～350 mm，煤柱侧下沉量在100～300 mm之间。

2.2两帮移近量

对留巷段不同位置两帮移近量进行监测，可以发现以下规律：

（1）与巷道顶底板移近变化趋势类似，距工作面架后50 m位置时有较大移近，说明受到来压影响，之后两帮移近会趋于平缓过渡状态，至150 m位置左右两帮移近趋于稳定，说明已经基本达到稳定状态。

（2）两帮稳定的时间比顶底板运动稳定时间要早，因此为了防漏风，可在回撤单体支柱之前进行喷浆或防漏风作业。

2.3与传统混凝土留巷对比

现场实践证明，采用“110工法”留巷比柔模混凝土沿空留巷顶板下沉量小，底板底鼓情况少，矿压显现不明显，完全满足下个工作面正常使用，如表1所示。

表1 “110工法”留巷与柔模泵注混凝土顶帮管理对比表

3与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

为说明厚煤层“110工法”的特点，将传统121工法、充填采煤法、“110工法”各自的主要特点列于表2中。由表2中各种采煤方法的特点可以看出，相比于其他开采方法，长壁开采“110工法”在安全性与经济效益方面均能取得较好的效果。

表2长壁开采121工法、充填采煤法、“110工法”比较

采用传统121工法回采011810工作面，需掘进2条顺槽巷道，留设煤柱25 m，煤炭资源回收率91%；采用“110工法”回采该工作面，只需掘进1条巷道，不需留设煤柱，可多回收煤炭7.1万吨，煤炭回收率100%，煤炭回收率提高9%，可直接创造经济效益916.4万元。

4结论

金凤煤矿通过一次性爆破预裂切缝、采用防冲自移式挡矸支架配合U型棚支护顶帮、采用风筒布封堵采空区控制煤层自然发火，顺利完成了011810工作面机巷550 m倾斜厚煤层切顶卸压自动成巷工程。所留巷道完全满足下个工作面的使用要求，充分证明倾斜厚煤层工作面也可实施“110工法”技术。

金凤煤矿倾斜厚煤层“110工法”项目顺利实验完成，填补了国内倾斜厚煤层“110工法”开采技术应用的空白，具有明显的实用和参考价值。

参考文献

［1］樊克恭，翟德元．巷道围岩弱结构破坏失稳分析与非均称控制机理［M］．煤炭工业出版社，2004.

［2］韩立军．不稳定巷道中锚注联合支护［J］．矿山压力与顶板管理，1999.

［3］袁和生．煤矿巷道锚杆支护技术［M］．煤炭工业出版社，1997.

作者简介

王克权，采矿工程师，1987年出生于宁夏回族自治区彭阳县，2011年6月毕业于安徽理工大学采矿工程专业，工程师，现任神华宁夏煤业集团金凤煤矿生产管理部副部长。