8.8m超大采高工作面盤(pán)區(qū)規(guī)劃與設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

楊俊哲

(國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

近年來(lái)隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)和裝備制造水平的不斷提高，厚煤層一次采全高工作面的回采高度逐漸從3.5m增大到4.2m、5m、5.8m、7m、8m、8.2m[1-5]。隨著工作面采高的增大，生產(chǎn)效率的提高，設(shè)備的尺寸也趨于大型化和重型化，綜采面的安裝和回撤也與之前的大采高綜采面表現(xiàn)出明顯的不同[6-9]，主要表現(xiàn)在盤(pán)區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)與綜采面的礦務(wù)工程施工等方面。結(jié)合上灣煤礦1-2煤四盤(pán)區(qū)超大采高綜采面設(shè)計(jì)和建設(shè)情況，對(duì)8.8m超大采高工作面盤(pán)區(qū)規(guī)劃和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行研究。

1 工程概況

上灣煤礦1-2煤四盤(pán)區(qū)位于礦井中部，盤(pán)區(qū)東西傾向長(zhǎng)度4.05km，南北走向長(zhǎng)度5.7km，面積23.1km2，煤層標(biāo)高1030～1086m。盤(pán)區(qū)煤厚7.93～9.68m，平均厚度9.05m，煤層傾角1°～3°，屬較穩(wěn)定煤層。盤(pán)區(qū)地質(zhì)儲(chǔ)量2.5億t，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量1.82億t。結(jié)合1-2煤四盤(pán)區(qū)煤層賦存條件，上灣煤礦先后提出大采高一次采全高回采、綜采放頂煤回采和分層開(kāi)采三種回采方案。1-2煤為易自燃煤層，采用分層回采，巷道掘進(jìn)率高，生產(chǎn)效率低，且上分層的回采遺煤給采空區(qū)防滅火管理帶來(lái)極大安全隱患，從安全性、生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益方面分析，不宜采用分層綜采。1-2煤埋藏深度124～244m，埋藏深度淺，煤體硬度大，節(jié)理裂隙不發(fā)育，煤層中多處區(qū)域存在厚度大于300mm的堅(jiān)硬夾矸，整體冒放性差，頂煤回收率無(wú)法保證，采空區(qū)遺煤安全隱患大，綜放方案也不適宜[10-13]。四盤(pán)區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，煤體自承能力強(qiáng)，有利于頂板維護(hù)，采用大采高一次采全高工藝，資源回收率、生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)效益好，且上灣煤礦有豐富7m大采高生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，從煤層賦存和生產(chǎn)技術(shù)方面考慮，8.8m大采高一次采全高方案為最優(yōu)方案。1-2煤四盤(pán)區(qū)共布置12個(gè)超大采高工作面，服務(wù)年限13a。

上灣煤礦1-2煤四盤(pán)區(qū)布置超大采高綜采面需要解決的主要問(wèn)題：①上灣煤礦1-2煤四盤(pán)區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)劃方案制定；②1-2煤四盤(pán)區(qū)12401工作面切眼寬×高=11.4m×6.3m超大斷面煤巷支護(hù)參數(shù)確定；③12401工作面切眼兩端頭和平巷的過(guò)渡形式。

2 盤(pán)區(qū)規(guī)劃與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 盤(pán)區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)設(shè)備配套結(jié)果，8.8m綜采面配套煤機(jī)機(jī)身高度4.2m，采用電瓶鏟板車(chē)運(yùn)輸時(shí)，為了保證煤機(jī)運(yùn)輸過(guò)程暢通，巷道凈高不得低于4.8m。當(dāng)前礦井輔助運(yùn)輸大巷高度最低處4.0m，已不能滿(mǎn)足綜采面正常安裝回撤的需求，需要開(kāi)掘新的井筒(2#輔助運(yùn)輸平硐)。1-2煤四盤(pán)區(qū)原規(guī)劃采用傳統(tǒng)的盤(pán)區(qū)大巷布置形式，即在井田一翼直接布置工作面，從輔運(yùn)大巷經(jīng)工作面輔運(yùn)平巷進(jìn)行安裝[14，15]。當(dāng)采用傳統(tǒng)的盤(pán)區(qū)大巷布置時(shí)，綜采工作面安裝從工作面輔運(yùn)平巷進(jìn)入切眼進(jìn)行安裝。根據(jù)設(shè)備配套參數(shù)，滿(mǎn)足8.8m大采高綜采面安裝的輔運(yùn)大巷及輔運(yùn)平巷掘進(jìn)斷面至少為6m×5.1m，需要對(duì)在用輔助運(yùn)輸大巷挑頂擴(kuò)幫才能滿(mǎn)足使用要求。輔助運(yùn)輸大巷擴(kuò)幫工程量大，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)。工作面輔助運(yùn)輸平巷巷道斷面大，支護(hù)量大，需要進(jìn)行拉底才能成巷，掘進(jìn)效率低，且受二次采動(dòng)時(shí)巷道變形嚴(yán)重。此外，為了滿(mǎn)足支架搬運(yùn)車(chē)重車(chē)通行的要求，需要澆筑300mm厚混凝土底板，相比傳統(tǒng)輔運(yùn)平巷150mm厚混凝土底板，且材料消耗量大，礦務(wù)工程成本明顯增加。

為了解決輔運(yùn)大巷斷面不能滿(mǎn)足大型設(shè)備通行需求及輔運(yùn)平巷掘進(jìn)斷面大的問(wèn)題，上灣煤礦在1-2煤四盤(pán)區(qū)中部開(kāi)掘支架專(zhuān)用巷，優(yōu)化了盤(pán)區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)，1-2煤四盤(pán)區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)布置形式如圖1所示。布置方式主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 1-2煤四盤(pán)區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)布置形式

1)在1-2煤四盤(pán)區(qū)中部開(kāi)掘支架專(zhuān)用巷，綜采大型設(shè)備從2#輔助運(yùn)輸平硐入井后經(jīng)支架專(zhuān)用巷可以直達(dá)工作面切眼，1條巷道可以為四盤(pán)區(qū)12個(gè)綜采面的安裝、回撤服務(wù)，待盤(pán)區(qū)進(jìn)行最后一個(gè)工作面(12412工作面)回采時(shí)還可以做為回風(fēng)平巷使用，實(shí)現(xiàn)了一條巷道多次使用，創(chuàng)新了盤(pán)區(qū)巷道布置形式。

2)支架專(zhuān)用巷開(kāi)掘以后，1-2煤四盤(pán)區(qū)工作面的輔運(yùn)平巷不再作為綜采面安裝時(shí)的輔助運(yùn)輸通道，其斷面尺寸可以從原設(shè)計(jì)的6m×5.1m縮小為5.4m×4.7m，由于巷道斷面變小，巷道支護(hù)量及后期礦務(wù)工程施工量明顯降低，單面可節(jié)省人工和材料費(fèi)用464萬(wàn)元。

3)5.4m×4.7m的巷道斷面明顯小于6m×5.1m巷道斷面，其后期補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)量小，巷道受二次采動(dòng)影響時(shí)，巷道頂幫圍巖穩(wěn)定性好、易維護(hù)。

4)支架專(zhuān)用巷的布置使綜采面增加了一個(gè)安全出口，提高了工作面發(fā)生災(zāi)變時(shí)的抗災(zāi)能力。

2.2 在特厚煤層中超大斷面切眼的掘進(jìn)施工工藝

現(xiàn)有掘進(jìn)設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足大斷面切眼一次掘進(jìn)成巷要求，遂采取一次掘進(jìn)高度4.2m，在將切眼全部掘進(jìn)到位后，再二次統(tǒng)一拉底2.1m，巷道高度達(dá)到設(shè)計(jì)巷高6.3m。

切眼巷道整體分掘進(jìn)和拉底兩部分。掘進(jìn)又分為6m寬和5.4m寬兩個(gè)掘進(jìn)斷面(12CM27-11D型連采機(jī)截割頭寬度為3.5m，掘進(jìn)6m和5.4m兩個(gè)巷道斷面時(shí)，仍分為切槽和采垛兩個(gè)工序進(jìn)行)，6m寬掘進(jìn)斷面始終超前5.4m寬掘進(jìn)斷面30m，這兩個(gè)掘進(jìn)斷面交替掘進(jìn)和支護(hù)，直至切眼掘進(jìn)到位。循環(huán)間錨桿、錨索支護(hù)必須緊跟，只有掘進(jìn)頭錨桿、錨索全部支護(hù)到位后才能開(kāi)始掘進(jìn)下一循環(huán)。12401切眼11.4m×4.7m斷面巷道掘進(jìn)到位后，統(tǒng)一拉底1.6m，達(dá)到設(shè)計(jì)掘進(jìn)斷面11.4m×6.3m。

在特厚煤層中掘進(jìn)11.4m×6.3m的超大斷面煤巷，在全國(guó)范圍內(nèi)尚無(wú)可借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。上灣煤礦通過(guò)理論計(jì)算、工程類(lèi)比等多種技術(shù)手段，確定了合理的巷道支護(hù)參數(shù)，12401切眼支護(hù)斷面方案如圖2所示。

圖2 12401切眼支護(hù)斷面(mm)

2.2.1 切眼支護(hù)強(qiáng)度理論計(jì)算[16，17]

錨桿通過(guò)懸吊作用，幫錨桿通過(guò)加固幫作用，達(dá)到支護(hù)效果的條件，應(yīng)滿(mǎn)足：

L錨桿≥L1+L2+L3

(1)

式中，L錨桿為錨桿總長(zhǎng)，m；L1為錨桿外露長(zhǎng)，取0.05m；L2為有效長(zhǎng)度，m；L3為錨入巖層內(nèi)深度，錨桿取0.35m。

普氏免壓拱高：

b=[B/2+Htan(45°-ω幫/2)]/f頂

(2)

煤幫松弛破碎深度(松動(dòng)圈)：

c=H×tan(45°-ω幫/2)

(3)

式中，B為巷道掘進(jìn)跨度和高度，取11.4m；H為巷道掘進(jìn)跨度和高度 取6.3m；f頂為頂板巖石普氏系數(shù)，f頂取4.3m；ω幫為兩幫圍巖的內(nèi)摩擦角，取63.43°。

L2=b=[11400/2+6300×tan(45°-

63.43°/2)]/4.3 =1671mm

c=6300×tan(45°-63.43°/2)=1487mm

依據(jù)上述公式計(jì)算得出：

頂錨桿長(zhǎng)度L頂≥L1+L2+L3=50+1671+350=2071mm。

幫錨桿長(zhǎng)度L幫≥L1+L2+L3=50+1487+350=1887mm。

所選頂錨桿長(zhǎng)度為2200mm>2071mm，幫錨桿長(zhǎng)度為2100mm>1887mm，均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

按錨桿所能懸吊的重量校核錨桿的間、排距a，每根錨桿懸吊巖體重量：

G=γ×L2×a2

(4)

式中，γ巖體容重(錨桿支護(hù)范圍為實(shí)體煤)，取13kN/m3。

錨桿錨固力Q應(yīng)能承擔(dān)G的重量。取安全系數(shù)K=1.5。即：KG

a<(Q/KγL2)1/2

(5)

所選頂錨桿的錨固力Q≥59kN，計(jì)算得a<1.33m。由于切眼斷面較大，頂板控制主要通過(guò)錨索控制，所以?xún)?yōu)先保證錨索支護(hù)均勻布置。12401切眼頂錨桿排距1m，W鋼帶寬度0.23m，如圓鋼鋼帶和W鋼帶十字交叉處錨桿均勻布置(左右各1.15m)，W鋼帶會(huì)壓住頂錨桿。為了避免錨索鋼帶壓錨桿，11根錨桿中有1根間距為1.4m，其余均滿(mǎn)足支護(hù)要求。

2)錨索支護(hù)參數(shù)校核，錨索長(zhǎng)度校核，應(yīng)滿(mǎn)足：

L=La+Lb+Lc+Ld

(6)

式中，L為錨索總長(zhǎng)度，m；La為錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長(zhǎng)度，取1.6m；Lb為需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取錨桿長(zhǎng)度2.2m；Lc為托盤(pán)及錨具的厚度，取0.2m；Ld為外露張拉長(zhǎng)度，0.2m。

將以上數(shù)據(jù)代入式(6)計(jì)算，得L=4.2m。

考慮到12401切眼煤層平均厚度9.26m，巷道掘進(jìn)高度6.3m，巷道設(shè)計(jì)沿底掘進(jìn)，則巷道平均留頂煤厚度2.96m，從安全角度考慮，取需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度為2.96m，利用上部公式得出錨索長(zhǎng)度應(yīng)不低于4.96m，取5m。12401切眼頂板使用錨索長(zhǎng)度為8.0m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

錨索排距校核，應(yīng)滿(mǎn)足：

b≤nF2/[BHγ1-(2F1sinθ)/a]

(7)

式中，b為錨索排距，m；B為巷道最大冒落寬度，11.4m；H為巷道最大冒落高度，m；γ1為8m范圍內(nèi)頂煤以及直接頂平均容重，取21.3kN/m3；a為錨桿排距，取1.0m；F1為錨桿錨固力，取59kN；F2為錨索極限承載力，500kN；θ為角錨桿與巷道頂板的夾角，90°；n為錨索排數(shù)，按照最少取2。

代入以上數(shù)據(jù)計(jì)算，錨索排距L≤2.4m，工作面錨索排距最大為2m，經(jīng)驗(yàn)證，錨索排距校驗(yàn)合格。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

在12401切眼掘進(jìn)時(shí)制定了專(zhuān)門(mén)的安全技術(shù)措施，在巷道支護(hù)過(guò)程中加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管，對(duì)頂板錨索實(shí)行編號(hào)管理，不定期對(duì)錨索支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行抽查，保證支護(hù)質(zhì)量。2017年3月12401切眼掘進(jìn)完畢，2018年3月12401工作面開(kāi)始安裝，歷經(jīng)一年的時(shí)間，12401切眼頂幫圍巖基本穩(wěn)定，除切眼調(diào)車(chē)硐抹角區(qū)域有局部片幫、離層采用零星錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)外，巷道無(wú)明顯頂幫變形，驗(yàn)證了超大斷面煤巷支護(hù)的合理性，12401工作面切眼成巷效果如圖3所示。

圖3 12401工作面切眼成巷效果圖

2.3 12401切眼掘進(jìn)工藝和兩端頭過(guò)渡形式

2.3.1 12401切眼開(kāi)口掘進(jìn)工藝

上灣煤礦當(dāng)前使用的12CM27-11D煤機(jī)采高范圍2.41～5.0m，為保證連采機(jī)高效平穩(wěn)運(yùn)行，確定切眼初次掘進(jìn)高度4.2m。由于掘進(jìn)隊(duì)采用的12CM27-11D煤機(jī)正常最大割煤高度4.8m，在切眼開(kāi)口4.7m長(zhǎng)度范圍內(nèi)需要根據(jù)巷道高程及頂?shù)酌汉穸确啪€(xiàn)掘進(jìn)。在探好頂?shù)酌旱幕A(chǔ)上，切眼開(kāi)口段煤機(jī)煤機(jī)爬坡掘進(jìn)，頂滾筒在4.7m長(zhǎng)度挑高0.6～0.7m，之后頂板放平，初步拉底降低切眼入口底板坡度，保證順利延設(shè)皮帶，最后統(tǒng)一拉底達(dá)到設(shè)計(jì)巷道高度[5]，工作面切眼開(kāi)口段掘進(jìn)方案如圖4所示。

圖4 工作面切眼開(kāi)口段掘進(jìn)平剖面(m)

2.3.2 12401切眼兩端頭過(guò)渡形式

由于平巷超前支架最大支撐高度5.5m，所以切眼附近兩平巷的掘進(jìn)高度不得超過(guò)5.6m，澆筑0.3m厚底板成巷高度5.3m。工作面采用的采煤機(jī)機(jī)身高度4.2m，搖臂長(zhǎng)度4.33m，煤機(jī)最大臥底量0.47m，保守確定煤機(jī)搖臂銷(xiāo)軸距主運(yùn)平巷4.7m時(shí)割平巷道底板。則此處巷道掘進(jìn)高度應(yīng)大于等于底板厚度、機(jī)身高度、支架頂梁最大厚度以及設(shè)備間隙之和，即大于等于6.05m，切眼距平巷正幫4.7m處拉底后巷道高度6.3m(凈高6m)，滿(mǎn)足使用要求。不同于普通的4～6m大采高綜采面(平巷和切眼高度相同)，8.8m綜采面切眼兩端頭頂板采用傾斜過(guò)渡。結(jié)合配套設(shè)備參數(shù)，對(duì)機(jī)頭、機(jī)尾段進(jìn)行通過(guò)性擬合得出，當(dāng)切眼口平巷高度(凈高)5.3m，在4.7m長(zhǎng)度掘進(jìn)范圍內(nèi)巷道高度通過(guò)頂板過(guò)渡為6m，可以滿(mǎn)足煤機(jī)在機(jī)頭、機(jī)尾順利通過(guò)。

3 工作面安裝使用情況

為保證12401綜采面煤機(jī)、支架等大型設(shè)備順利入井安裝，以尺寸和重量最大的大側(cè)護(hù)支架為研究對(duì)象，對(duì)該支架入井、升井及運(yùn)輸拐彎過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，驗(yàn)證其上下坡和拐彎時(shí)的通過(guò)性，對(duì)存在卡阻的區(qū)域進(jìn)行提前處理。

通過(guò)實(shí)測(cè)2#輔運(yùn)平硐落平段進(jìn)入支架專(zhuān)用巷區(qū)域的巷道平面，每隔15°分析大側(cè)護(hù)支架搬運(yùn)車(chē)的狀態(tài)，對(duì)支架車(chē)拐彎時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，得出支架車(chē)拐彎時(shí)與支架專(zhuān)用巷副幫最小距離為0.2m，巷道滿(mǎn)足工作面支架通行的要求。從2#輔運(yùn)平硐進(jìn)入支架專(zhuān)用巷時(shí)，支架車(chē)需要拐大彎，不能緊貼巷道右?guī)妥撸拍鼙ＷC大側(cè)護(hù)支架順利通過(guò)，大側(cè)護(hù)支架拐彎分析擬合如圖5所示。

圖5 大側(cè)護(hù)支架拐彎分析擬合(m)

在2018年3月，所有綜采設(shè)備均一次順利安裝到位，未出現(xiàn)任何卡阻。綜采工作面兩端頭煤機(jī)割透性、通過(guò)性良好，與預(yù)分析結(jié)果相符。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)雖然上灣煤礦在用的輔運(yùn)大巷斷面很大，但是不能滿(mǎn)足8.8m超大采高綜采面設(shè)備安裝回撤需求。神東煤炭集團(tuán)上灣煤礦新開(kāi)掘2#輔運(yùn)平硐，創(chuàng)新了1-2煤四盤(pán)區(qū)大巷布置形式，避免了對(duì)在用輔運(yùn)大巷進(jìn)行擴(kuò)幫，降低了8.8m超大采高綜采面礦務(wù)工程施工量和巷道后期維護(hù)量，提高了超大采高綜采面安裝、回撤效率。

2)在特厚煤層中掘進(jìn)11.4m×6.3m超大斷面巷道，在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例。上灣煤礦8.8m超大采高綜采面切眼在補(bǔ)連塔礦8.0m大采高切眼的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論計(jì)算、工程類(lèi)比等技術(shù)手段，解決了超大斷面煤巷的掘進(jìn)施工和圍巖支護(hù)問(wèn)題。

3)正常情況下，綜采工作面運(yùn)輸平巷、回風(fēng)平巷和工作面切眼頂?shù)装宀捎盟竭^(guò)渡，高度一致。但是為了提高出率，同時(shí)降低巷道掘進(jìn)率，提高掘進(jìn)效率。綜采工作面支架和平巷超前支架支護(hù)高度相差3.3m。上灣煤礦結(jié)合設(shè)備配套參數(shù)進(jìn)行擬合分析，確定了切眼兩端頭采用頂板傾斜過(guò)渡的設(shè)計(jì)形式，明確了施工工藝；在盡可能降低巷道高度的前提下，保證綜采面煤機(jī)在機(jī)頭、機(jī)尾的通過(guò)性。

上灣煤礦8.8m超大采高綜采面的盤(pán)區(qū)布置形式及綜采面的設(shè)計(jì)思路、掘進(jìn)工藝，對(duì)條件類(lèi)似的厚煤層的回采設(shè)計(jì)具有積極的借鑒意義。