摘要：针对煤矿井下综采作业时巷道变形量大、综采成本高、浪费量大的不足，提出了无煤柱自成巷技术，对顶板预裂切缝设计方案、恒阻大锚索支护、巷道临时支护方案的应用情况进行了分析。根据在煤矿的实际应用表明，该新的无煤柱自成巷技术能够实现年节约成本11 321.2万元，能够有效提升井下综采作业效率和经济性。

　　关键词：切顶卸压；无煤柱；自动成巷

　　0引言

　　常规长壁开采121工法在开采过程中煤层顶板会形成长壁梁，安全性差，同时，留设的煤柱将造成资源的浪费，而110工法可以在很大程度上减少或避免上述问题。总的来说，110工法的特点可以概括为“五个利用、三个减弱、两个目标”，即利用矿山压力、利用顶板部分岩体、利用岩石碎胀特性、利用原有巷道空间、利用原有巷道支护、减弱周期性来压、减弱空区瓦斯、减弱煤层自燃、实现自动成巷和实现无煤柱开采。

　　要实现上述目标，需要采用特殊的爆破方式切断巷道顶板，同时使用能够适应顶板变形的新型锚索对巷道顶板进行加固，保证顶板压力能够缓慢转移至采空区矸石，同时，在回采过程中对巷道内进行临时支护，以抵抗回采动压对顶板稳定性的影响，除此之外，还需架设挡矸支护并对碎石帮进行密闭，防止矸石和有害气体进入巷道。之后随着工作面的回采，采空区顶板沿着切缝线垮落，最终巷道形成。该沿空留巷的关键技术主要包括NPR恒阻大变形锚索支护技术、顶板定向预裂切缝技术、挡矸护帮及临时支护技术，极大提升了井下综采经济性和安全性。

　　1变形锚索支护方案分析

　　恒阻大变形锚杆（索）相对于一般的锚索来说，其一个显著的特点是“让中有抗，抗中有让，防断恒阻”，这主要是在变形忙中设置了一个恒阻器，通过恒阻器能够保证变形锚索在支护过程中根据围岩的变形情况进行自动调整。

　　当井下巷道被掘进出缺口后，巷道的围岩稳定性被迅速破坏，导致围岩深处的应力被释放，一方面在应力集中的位置会产生塑性变形区，另一方面由于应力释放，会导致围岩的稳定性降低，导致巷道产生变形，因此要保证恒阻大变形的支护稳定性，就需要在围岩变形前进行设置，恒阻大变形锚索的设置形式如图1所示。

　　恒阻大锚索设置完成后，随着井下围岩变形的增加和能量释放的加快，恒阻大锚索随着围岩变形逐步加大，逐步吸收围岩变形所释放出的能量，避免锚索受力断裂。当围岩达到变形稳定状态后，围岩内的能量进行释放，此时围岩的变形能力低于恒阻锚索的恒阻力，从而在恒阻锚索的作用下，使井下围岩达到一个新的平衡状态。

　　2顶板定向预裂切缝技术

　　新的反方向聚能爆破技术是一种能够在相反的方向上形成拉张力的高效爆破技术，其核心是在爆破孔中设置了双向聚能管，在聚能管内安装有爆破药，在爆破时通过聚能管的约束，使能够在两个设定的方向上形成集中爆破冲击波，减少了爆破时冲击力的扩散，因此能够高效、精确的形成定向预裂切缝。该爆破方案的优点在于能够在不增加爆破药使用量的情况下通过控制冲击力方向来保证爆破效果和爆破精度，有效提升了爆破安全性和可靠性，反方向聚能爆破机理如图2所示。

　　3反方向聚能爆破优点

　　反方向聚能爆破具有以下优点：

　　1）可以通过控制爆破冲击力方向来提高爆破压力，因此能够加大爆破孔之间的距离，用最少的爆破药和最少的爆破孔来实现对顶板的预裂。

　　2）能够精确控制爆破方向，尽可能地降低对巷道围岩的影响，提高爆破的安全性。

　　3）爆破操作较为简单，仅需在爆破孔内安装含有爆破药的聚能管即可，爆破效率高，稳定性好。

　　当超前工作面一定距离实施双向聚能爆破预裂顶板后，切顶卸压无煤柱自成巷顶板断裂结构如图3所示，切缝面使得下分层块体B1无法形成稳定的砌体梁结构，从而发生滑落失稳，块体B1将完全垮落到采空区而与块体A1失去力学关系，切断了块体B1向块体A1的应力传递路径，即减小了块体A1的变形及压力。顶板岩层垮落逐步向上部发展，由于切缝面的存在，切缝范围内岩层都无法形成砌体结构，滑落失稳后落入采空区，与沿空留巷侧向顶板失去力学关系，从而减弱了采空区顶板垮落对沿空留巷的扰动作用。当B2块体垮落后，此时碎胀的矸石基本充满了采空区，上覆岩层块体A3、B3和C3相互咬合形成了稳定的砌体梁结构，而上覆砌体结构在下位岩层切落形成的矸石垫层支撑作用下，下沉和旋转变形受到抑制，切顶卸压无煤柱自成巷围岩的“给定变形量”明显减小。

　　4挡矸护帮及临时支护技术

　　工作面回采后，为了避免顶板垮落后岩石进入到巷道内，因此需要进行挡矸支护，因此结合煤矿井下的实际情况，在不同厚度煤层处，利用不同的支护结构进行设置，从而形成了不同的护帮支护参考体系，主要体系汇总如下：

　　非可缩柱网体系。当煤层的厚度不超过1 000 mm时，可采用该支护体系，其主要支护形式为工字钢+钢筋网+单体支柱+防护网。工字钢采用11#工字钢，间距500~800 mm；挡矸单体支柱距巷帮100 mm，与工字钢间隔布置。

　　可缩柱网体系。当煤层开采厚度1~2 m时，可以采用以U钢为核心的可缩柱网体系，挡矸主要形式为可缩型挡矸U型钢+钢筋网+（菱形金属网）；U钢为29#U型钢，间距500~600 mm；挡矸压力大时可采用单体支柱辅助挡矸，与可缩型挡矸U钢间隔布置。

　　根据切顶留巷实践经验，薄煤层切顶沿空留巷常采用常规的单体液压支柱和工字钢进行巷旁挡矸支护，并能取得了较好的护帮效果。而中厚及厚煤层在采用液压单体支柱和工字钢进行巷旁挡矸支护时，经常在围岩应力影响下出现变形，使支护失效，导致矸石帮持续向巷内挤出，产生严重帮鼓，且帮部的持续性鼓出为顶板下沉和底鼓创造了条件，顶板的下沉又增加了矸石帮的垂直应力，继而加重了矸石帮向巷内的挤出，如此恶性循环，直至沿空留巷失稳破坏，无法满足使用要求。

　　5应用效果分析

　　目前该无煤柱自动成巷技术已经在煤矿得到了应用，21206作业面可以减少巷道掘进1 940 m，总留巷长度为1 700 m。根据统计目前巷道在掘进过程中的成本达到了8 990元/m，因围岩支护失效而造成的重新支护成本约为14 700元/m。采用新的自成巷开采技术以后的留巷成本约为8 100元/m，因此可以产生的经济效益为617.2万元。

　　21206工作面所留设的煤柱的宽度为30 m，该处煤层的平均厚度为1.86 m，留巷总长度为1 700 m，煤层的容重约为1.39 t/m3，因此每年预计可以多出采煤炭13.38万t，总价值约为10 704万元。因此采用新技术后的总经济效益为11321.2万元。

　　同时，通过对综采作业过程中巷道变形量的分析，优化后巷道变形量由最初的338 mm降低到目前的186.9 mm，对提升巷道作业安全性具有十分重要的意义。

　　6结论

　　为了解决煤矿在井下综采作业时巷道变形量大、综采成本高、浪费量大的不足，提出了一种新的无煤柱自成巷技术，通过实际应用表明，新的无煤柱自成巷技术能够实现年节约成本11 321.2元，极大提升了煤矿井下综采经济性。

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