七五煤礦四采區(qū)巷道布置設(shè)計(jì)優(yōu)化

靖文青 張忠正

（棗莊礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277000）

1 概況

七五煤礦井田內(nèi)主要含煤地層為太原組和山西組，平均總厚度為262.90 m，可采煤層平均厚度為8.81 m，含煤系數(shù)為3.35%，其中主要可采煤層平均總厚度為6.26 m，占可采煤層總厚度的71.08%。2020年，該礦井年生產(chǎn)能力核定為100萬(wàn)t。

四采區(qū)位于井田西南部，總體呈一單斜構(gòu)造，走向NE，傾向SE，南北長(zhǎng)度3150～3430 m，東西長(zhǎng)度1830～1050 m，面積5.6 km2，井上標(biāo)高+35～ +40 m，煤層標(biāo)高為-560～ -830 m，埋深約595～870 m，煤層傾角8°～12°之間。煤層產(chǎn)狀、厚度、煤質(zhì)比較穩(wěn)定，可采范圍內(nèi)3下煤層厚度約在2.67～3.75 m之間，平均厚度3.34 m。煤層頂板中等穩(wěn)定～穩(wěn)定，煤層底板為中等堅(jiān)固～堅(jiān)固。四采區(qū)采用長(zhǎng)壁后退式一次采全高采煤法、綜采工藝和全部垮落法進(jìn)行頂板管理。優(yōu)化四采區(qū)巷道布置，減少掘進(jìn)工程量，簡(jiǎn)化掘進(jìn)系統(tǒng)，對(duì)緩解采區(qū)銜接緊張具有重要意義[1]。

2 四采區(qū)巷道布置及存在問(wèn)題

2.1 開(kāi)拓方式

目前，-624 m水平3下煤北五、北一已經(jīng)基本回采完畢，四采區(qū)為接替采區(qū)。

四采區(qū)的準(zhǔn)備方式為下山單一煤層采區(qū)，單翼采區(qū)布置。南翼大巷延伸到位后，布置四采區(qū)軌道下山和運(yùn)輸下山，進(jìn)行單翼開(kāi)采。南翼軌道大巷延伸到位后，沿方位角161°18′以3‰坡度施工四采區(qū)車(chē)場(chǎng)，施工50 m后按照12°下山施工至郭莊斷層附近，最后按3‰上坡施工80.3 m底部車(chē)場(chǎng)；南翼運(yùn)輸大巷沿原方位按坡度施工至646.5 m后到達(dá)四采區(qū)煤倉(cāng)下倉(cāng)口，在四采區(qū)煤倉(cāng)上口按方位角161°18′以3‰坡度下山施工70 m后，保持方位角不變，按12°下山施工至郭莊斷層附近通過(guò)水平聯(lián)絡(luò)巷與軌道下山貫通，形成通風(fēng)、運(yùn)輸、行人系統(tǒng)。

2.2 采區(qū)巷道布置

2.2.1 采區(qū)大巷布置情況

四采區(qū)的采區(qū)大巷（包括：四采區(qū)運(yùn)輸下山、四采區(qū)軌道下山）基本避開(kāi)大斷層（郭莊斷層H=0～80 m∠70°）設(shè)計(jì)。采區(qū)大巷運(yùn)輸巷以15°角為主、軌道巷以13°角斜向下布置。大巷與最大水平主應(yīng)力方向約為22.7°夾角。

2.2.2 工作面順槽布置情況

四采區(qū)工作面順槽（包括：切眼、軌道巷和運(yùn)輸巷）避開(kāi)大斷層布置，兩順槽整體上平行布置，最大水平主應(yīng)力方向約為40°夾角。

2.3 采區(qū)巷道布置存在問(wèn)題

（1）采區(qū)內(nèi)存在斷層較發(fā)育，大巷與斷層走向存在夾角，設(shè)計(jì)大巷揭露FX4-13斷層、FX11-12斷層、WF22斷層、郭莊斷層等多條斷層，揭露斷層區(qū)域的煤層存在沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)；

（2）采區(qū)大巷向下穿過(guò)3下煤層，穿煤段留有底煤，部分區(qū)段底煤較厚，存在沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)；

（3）部分工作面受斷層影響，前期進(jìn)行了調(diào)面布置，形成類(lèi)三角異形形狀，特別是3下408-2工作面與鄰近先采的3下406、3下407工作面形成三角煤柱，沖擊危險(xiǎn)性高。

3 采區(qū)巷道布置優(yōu)化

3.1 采區(qū)大巷優(yōu)化與對(duì)策

（1）區(qū)域內(nèi)斷層發(fā)育，應(yīng)制定詳細(xì)的大巷過(guò)斷層方案，同時(shí)加強(qiáng)斷層區(qū)域支護(hù)強(qiáng)度和監(jiān)測(cè)力度。在斷層段加大錨桿和錨索支護(hù)密度，增大錨桿和錨索直徑；礦井有注漿經(jīng)驗(yàn)，可以增加注漿支護(hù)；增加架棚支護(hù)；根據(jù)大巷掘進(jìn)揭露煤層情況加強(qiáng)支護(hù)，在留底煤厚度（大于0.7 m）達(dá)到預(yù)卸壓要求時(shí)進(jìn)行預(yù)卸壓處理。

（2）采區(qū)大巷留底煤段較多。解決方案為：首先調(diào)整大巷層位將大巷布置在穩(wěn)定的巖層中，如放在3下煤層頂板中。其次，調(diào)整采區(qū)大巷角度，增大斜向下的角度，如：軌道下山前期向下增加2°（斜向下15°），從500～550 m調(diào)整為斜向下10°，使大巷位于煤層之下；運(yùn)輸下山前期向下增加1°（斜向下16°），從600～650 m調(diào)整為斜向下8°，使大巷位于煤層之下。

（3）調(diào)整3下408-2工作面切眼方向和位置，形成同其他工作面一樣的直角型；不調(diào)整3下408-2工作面切眼方向和位置情況下，應(yīng)在3下406、3下407工作面采掘期間對(duì)兩面之間的三角區(qū)域進(jìn)行預(yù)卸壓處理，以降低沖擊危險(xiǎn)；在3下408-2工作面掘進(jìn)期間加強(qiáng)該區(qū)域的預(yù)卸壓和監(jiān)測(cè)。

3.2 采區(qū)巷道布置優(yōu)化

3.2.1 理論分析

（1）巷道應(yīng)布置在煤層邊緣的低應(yīng)力區(qū)

理論和實(shí)踐表明，采動(dòng)型沖擊地壓一般發(fā)生在工作面或煤柱應(yīng)力集中區(qū)，其主要形式是巷道周?chē)拿和蝗黄茐尼尫拍芰?，從而?duì)巷道造成嚴(yán)重破壞[2]。因此，根據(jù)圍巖分布規(guī)律，合理選擇巷道位置是降低沖擊風(fēng)險(xiǎn)的主要途徑之一[3]。

如圖1所示，破碎狀態(tài)的煤體邊緣有一個(gè)低應(yīng)力區(qū)。當(dāng)巷道位于低應(yīng)力區(qū)或布置沿空巷道時(shí)，對(duì)煤體支護(hù)壓力的影響較小，圍巖應(yīng)力擾動(dòng)及其引起的支護(hù)壓力變化較小。當(dāng)巷道在高應(yīng)力區(qū)掘進(jìn)時(shí)，會(huì)破壞煤的極限平衡狀態(tài)，極易誘發(fā)沖擊地壓；同時(shí)，會(huì)大大降低煤體的支承能力，引起圍巖應(yīng)力和支護(hù)壓力的顯著變化，巷道和采空區(qū)的集中應(yīng)力疊加，增加了圍巖支承壓力和圍巖應(yīng)力的集中度。因此，構(gòu)成沖擊地壓的必備條件為集中應(yīng)力和沖擊傾向性，構(gòu)成沖擊地壓的充分條件為高應(yīng)力區(qū)巷道。故大幅度降低沖擊地壓發(fā)生的可能性，可將巷道布置在煤體邊緣的低應(yīng)力區(qū)內(nèi)。

圖1 巷道位置與支承壓力分布

（2）避免巷道近距離平行布置或交叉布置

如圖2所示，巷道兩側(cè)集中壓力作用范圍一般為巷道寬度4倍（4B），集中系數(shù)k1為2.0～2.5。當(dāng)巷道采用近距離平行布置時(shí)，在巷道間煤體上必然會(huì)出現(xiàn)壓力疊加。如兩巷相距4B，疊加壓力集中系數(shù)k2可以達(dá)3左右。兩巷距離越近，壓力疊加越嚴(yán)重。因此，近距離平行巷道在掘進(jìn)或受采動(dòng)影響后極易發(fā)生沖擊地壓。

圖2 兩巷近距離平行布置時(shí)的壓力疊加

如圖3所示，巷道交叉布置時(shí)，巷道兩側(cè)集中壓力產(chǎn)生疊加，特別是在銳角部分的煤體上壓力集中系數(shù)較高，容易引發(fā)沖擊地壓。

圖3 巷道交叉布置的支承壓力分布

3.2.2 具體布置設(shè)計(jì)

（1）四采區(qū)3下406、3下407、3下408工作面采用小煤柱布置，沿空巷道位于低應(yīng)力區(qū)域內(nèi)布置，符合沖擊地壓防控要求。

四采區(qū)3下401、3下403、3下405工作面之間，3下408-1與3下408-2工作面之間采用回采100 m、120 m，留設(shè)100 m、120 m的條帶布置方式，工作面各順槽在原始應(yīng)力區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)，符合沖擊地壓防控要求。

四采區(qū)3下408-2與3下406、3下407之間留有三角煤柱，應(yīng)進(jìn)行預(yù)卸壓處理。

（2）減少交叉巷道個(gè)數(shù)，交叉巷道盡量采用直角布置，盡量減少銳角出現(xiàn)。在保障采掘情況下，盡量減少聯(lián)絡(luò)巷數(shù)目，減少?zèng)_擊危險(xiǎn)區(qū)。四采區(qū)工作面兩順槽與采區(qū)大巷夾角為70°，工作面兩順槽與切眼夾角為79°、90°，夾角均較大，能夠降低沖擊危險(xiǎn)。

（3）要掌握沿空掘巷的掘巷時(shí)機(jī)。沿空掘巷應(yīng)在采空工作面動(dòng)壓影響下的巖層運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，即應(yīng)力基本轉(zhuǎn)移后進(jìn)行。沿空巷道的掘進(jìn)需要滯后工作面采動(dòng)一定時(shí)間和距離。

3.3 合理煤柱留設(shè)設(shè)計(jì)

3.3.1 理論分析

在開(kāi)采過(guò)程中，遺留的煤柱會(huì)受到兩側(cè)采空區(qū)的影響，導(dǎo)致煤柱的支護(hù)壓力較高，如圖4。

圖4 大煤柱和小煤柱的支承壓力分布

大條帶煤柱壓力集中系數(shù)可達(dá)3～4，小條帶煤柱壓力集中系數(shù)可達(dá)4～6。上層剩余煤柱也會(huì)向下傳遞集中壓力，影響深度可達(dá)100 m以上。因此，沖擊地壓最容易發(fā)生在煤倉(cāng)附近和煤倉(cāng)上下的應(yīng)力集中區(qū)，包括煤柱內(nèi)的巷道、靠近煤柱的工作面(另一側(cè)已被采空)、煤柱下的巷道和工作面。由此可見(jiàn)，本層回采煤柱是產(chǎn)生應(yīng)力疊加和沖擊地壓的根本原因，因此，必須采用合理的開(kāi)采部署將其根除[4]。實(shí)踐證明，沖擊危險(xiǎn)煤層中的煤柱有很大的危害。為此，開(kāi)采設(shè)計(jì)中盡量不留大煤柱，采用沿空送巷或留巷。

3.3.2 具體煤柱留設(shè)

（1）工作面間?。o(wú)）煤柱留設(shè)

小煤柱留設(shè)可以有效減少?zèng)_擊地壓危險(xiǎn)性。四采區(qū)3下406、3下407、3下408工作面采用5.0 m小煤柱布置。

（2）工作面間寬煤柱留設(shè)

四采區(qū)3下401、3下403、3下405工作面之間，3下408-1、3下408-2工作面采用100 m、120 m寬煤柱布置。

（3）斷層護(hù)巷煤柱

采區(qū)分割工作面的斷層保護(hù)煤柱一般留設(shè)寬度在50 m及以上，特殊情況下減少煤柱寬度需要做好防沖措施。

（4）大巷間護(hù)巷煤柱

四采區(qū)運(yùn)輸下山和四采區(qū)軌道下山之間設(shè)計(jì)的大巷護(hù)巷煤柱寬度為60 m。根據(jù)礦井其他已采和正在開(kāi)采采區(qū)大巷沖擊危險(xiǎn)和支護(hù)情況來(lái)看，60 m煤柱能夠保證采區(qū)采掘期間的大巷安全使用。

（5）停采護(hù)巷煤柱

四采區(qū)各工作面停采護(hù)巷煤柱留設(shè)150 m，根據(jù)北七采區(qū)和南二采區(qū)工作面超前支承壓力影響范圍最大約60 m，150 m停采線(xiàn)保護(hù)煤柱寬度遠(yuǎn)大于超前支承應(yīng)力影響范圍。后續(xù)工作面回采期間根據(jù)礦壓顯現(xiàn)和沖擊地壓監(jiān)測(cè)情況確定具體工作面的停采線(xiàn)位置。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)沖擊地壓防治原則，進(jìn)行了四采區(qū)布置的分析，優(yōu)化了采區(qū)巷道布置，確定了合理的大巷和斷層保護(hù)煤柱。優(yōu)化后的巷道所受動(dòng)壓影響更小，使支護(hù)更容易，大量減少維護(hù)費(fèi)用。優(yōu)化后巷道通風(fēng)線(xiàn)路更短，有效降低礦井的通風(fēng)阻力。