韩立权
(同煤集团云岗矿，山西 大同 037000)
引 言随着煤矿井下综采作业设备自动化水平的不断提高，在综采作业过程中的巷道掘进速度成为限制煤矿综采效率和经济性进一步提高的瓶颈因素。目前成熟的煤矿井下巷道掘进方案，主要是采用先设置一条回采巷道，然后再通过在巷道内预留大量的支护煤柱的开采方案，通过各预留的煤柱在井下巷道形成一个连续的“传递岩梁”。但随着综采工艺方法的不断改进，该巷道掘进方案所存在的巷道掘进量大、煤炭回采率低下、煤柱四周易产生应力集中导致垮落的缺陷日益突出，严重地限制了煤矿井下综采效率的进一步提高[1]。因此，本文结合煤矿井下实践，提出了一种无煤柱自动成巷掘进技术，该技术方案的核心在于，通过井下巷道顶板的定向切缝技术来人为地将巷道和采空区处的顶板巷道分离，降低采空区顶板来压波动对巷道顶板稳定性的影响，同时，通过设置井下切顶护帮支架支护确保巷道顶板的稳定性，无需再采用煤柱支护，采用该方案后不仅无需提前设置回采巷道、减少掘进量，提升井下掘进效率，而且提高了煤炭的回采率，加强了巷道顶板在综采作业过程中的稳定性，取得了良好的应用效果。
1 井下顶板定向切缝技术无煤柱自动成巷掘进技术的核心在于通过井下巷道顶板的定向切缝技术来人为地将巷道和采空区处的顶板巷道分离，降低采空区顶板来压波动对巷道顶板稳定性的影响，因此，煤矿井下顶板定向切缝直接影响到巷道顶板能否在综采作业过程中保持稳定性。
传统的技术方案中，主要是通过在井下巷道的采空区的一侧设置巷道支护体结构的方案来对顶板形成一个强有力的支撑，确保在综采作业过程中顶板的稳定性，但通过研究可知，在煤矿井下综采作业过程中，顶板在来压作用下会导致不稳定区域的岩层的变动并产生一个较大的采空应力场结构，使不稳定区域的岩层产生垮落，各个垮落区域相互叠加、咬合，使其形成“砌体梁”结构，砌体梁结构在回转下沉的过程中连续地向巷道施压，使其直接触底形成一个稳定的支护结构。
顶板定向切缝就是根据井下巷道结构的实际情况，在顶板与采空区交界的位置，开一条切割缝，将巷道的直接顶和基本顶分割开来，降低悬空侧的悬臂长度，确保采空区的外侧能够在顶板矿压波动下产生垮落，填充在采空区形成稳定的垫层结构，在顶板定向切缝作业下顶板的垮落结构如第93页图1所示[2]。
2 切顶护帮支架支护煤矿井下综采作业过程中，随着综采作业的不断进行，在顶板矿压波动下，采空区域的顶板结构不断的坍塌，随着坍塌范围的不断增加，煤矸石在运动过程中的稳定性逐渐增加，在贴近综采面的位置，煤矸石则是以连续的垮落为主[3]，垮落的煤矸石会对挡护结构产生较大的冲击，在采空区的位置，垮落的岩层则在矿压波动下逐渐压实，对井下煤矸石的挡护结构产生静态挤压作用，最终达到一个稳定的平衡状。针对该井下岩层垮落运动特点，本文提出了一种新型的切顶护帮支架支护方案，用于对井下围岩结构进行临时加强支护，在该支架上设置有溢流阀，能够根据顶板压力的变化自行调整液压支架的支护高度，从而确保在整个支护过程中的恒阻力支护，并且在该支架上还设置有伸缩横梁结构，防止煤矸石挡护结构在静力作用下产生形变，为井下挡杆提供强大的侧向支撑力，确保支护结构的稳定性和可靠性。
图1 顶板定向切缝作用下顶板断裂结构示意图
3 无煤柱自动成巷效果分析在采用无煤柱自动成巷掘进技术后，对该方案下的顶板稳定性进行分析，通过对切顶护帮支架支护前、后的顶板下沉量的监测[4]，来对无煤柱自动成巷的可靠性进行研究，监测结果如图2所示。
图2 不同工作面上顶板下沉量的变化曲线
由实际监测结果可知，当井下综采面推进超过150 m～210 m时，巷道顶板的下沉量基本不会再发生变化，顶板下沉量维持在60 mm左右，说明此时顶板已趋于稳定。以150 m为界限，对以后位置处的切顶护帮支架进行回撤作业，当回撤后巷道顶板的下沉量会逐渐增加，但最终会维持在69 mm左右，在实际应用过程中为了确保在某些特殊情况下巷道顶板的稳定性，采取每隔15 m处预留一个支架，待综采面回采完成后统一撤架，从而确保在井下综采作业过程中的安全性。
在实际验证中，以井下综采面1 000 m计算，井下改造费用约为780万元，改造后掘进成本由改造前的3 900元/m，降低到了2 100元/m，综采作业过程中多回收煤炭约为10.67万t，根据市场价340元/t计算，共获得3 626.3万元，总共节约成本3 026.3万元，巷道的掘进时间比优化前缩短了约1/3，具有十分明显的经济效益，且综采作业后的巷道稳定性有了显着的提升。
4 结论针对煤矿井下有煤柱作业在实际应用过程中所存在的巷道掘进量大、煤炭回采率低下、煤柱四周易产生应力集中导致垮落的缺陷，本文在理论研究的基础上，结合煤矿井下实际地质条件，提出了一种新型的无煤柱自动成巷掘进技术，该技术方案的核心在于，通过井下巷道顶板的定向切缝技术来人为地将巷道和采空区处的顶板巷道分离，降低采空区顶板来压波动对巷道顶板稳定性的影响，同时，通过设置井下切顶护帮支架支护确保巷道顶板的稳定性，无需再采用煤柱支护。根据实际应用表明：
1) 顶板定向切缝是在顶板与采空区交界的位置开一条切割缝，将巷道的直接顶和基本顶分割开来，确保采空区的外侧能够在顶板矿压波动下产生垮落，填充在采空区形成稳定的垫层结构。
2) 切顶护帮支架支护能够确保在整个支护过程中的恒阻力，且在该支架上还设置有伸缩横梁结构，防止煤矸石挡护结构在静力作用下产生形变，为井下挡矸结构提供强大的侧向支撑力，确保支护结构的稳定性和可靠性；
3) 无煤柱自动成巷掘进技术，能够显着提升煤矿井下综采作业的经济性，且能够将巷道掘进时间缩短1/3，无需在井下进行回采巷道的提前掘进，提升了井下综采作业安全和回采率，具有极大的应用推广价值。
