上行無煤柱走向長(zhǎng)壁跨上山連續(xù)采煤法的研究與運(yùn)用

許多康 郭正文

（1.重慶煤監(jiān)局統(tǒng)計(jì)中心，重慶 401121；2.重慶能投渝新能源有限公司紅巖煤礦，重慶 400800）

1 概況

紅巖煤礦始建于1958 年，1965 年投產(chǎn)，隸屬于重慶能投渝新能源有限公司。礦井為單一煤層開采礦井，所采煤層為二迭紀(jì)龍譚煤組之底部6#（K1）煤層,厚度1.2～2.5 m，平均厚度1.8 m。煤層頂扳為頁(yè)巖，其中偽頂為0.5 m 厚的灰質(zhì)頁(yè)巖，直接頂為10 m 厚的灰黑色頁(yè)巖,含硫鐵礦結(jié)核；煤層底板為2.3 m 厚的灰白色鋁土頁(yè)巖和3.4 m 厚的雜色角礫巖，再下為茅口灰?guī)r。井田內(nèi)共劃分為紅巖區(qū)和叢林區(qū)，其中，紅巖區(qū)為急傾斜煤層；叢林區(qū)又以叢林向斜軸部為界劃分為叢林南區(qū)和叢林北區(qū)，分別為緩傾斜煤層和傾斜煤礦。礦井水文條件復(fù)雜，為全國(guó)罕見的大水礦井之一，煤系頂?shù)椎貙臃謩e為強(qiáng)含水性的長(zhǎng)興灰?guī)r和茅口灰?guī)r，近5 年生產(chǎn)水平平均涌水量1279.8 m3/h，最大月均涌水量2131 m3/h。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量36.43 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量33.14 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井，煤塵具有爆炸性，開采煤層自然發(fā)火等級(jí)Ⅱ類。

紅巖煤礦采用平硐+暗斜井開拓，水平垂高為180 m。現(xiàn)生產(chǎn)水平為三水平，共劃分5 個(gè)采區(qū)。其中叢林南區(qū)1 個(gè)，采區(qū)走向長(zhǎng)為2200 m，回采面傾斜長(zhǎng)170 m；叢林北區(qū)4 個(gè)，走向長(zhǎng)1000 m，采面傾斜長(zhǎng)170 m。原采用走向長(zhǎng)壁區(qū)內(nèi)后退式采煤法，自上而下逐段回采，區(qū)段巷道為雙煤巷布置，分別為機(jī)巷和下段風(fēng)巷。采區(qū)主干系統(tǒng)布置在煤層底板灰?guī)r中，距煤層平均距離設(shè)計(jì)為15 m。主干系統(tǒng)和區(qū)段巷道采用運(yùn)輸石聯(lián)系，石門兩翼和區(qū)段煤柱設(shè)計(jì)15 m。

2 原布置方式和回采順序存在主要問題

2.1 工作面水害嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)

回采工作面水源來自采空區(qū)，下行開采使采空區(qū)內(nèi)的積水一部分由區(qū)段煤柱間的聯(lián)絡(luò)巷直接進(jìn)入回風(fēng)巷和工作面，另一部分從工作面頂扳裂隙以淋水和滴水的方式在回采工作面下部30 m 內(nèi)出現(xiàn)。在豐水期間，采面涌水量曾高達(dá)70 m3/h。生產(chǎn)時(shí)工作面煤水混運(yùn)，沖壞運(yùn)輸系統(tǒng)，堵塞巷道，機(jī)運(yùn)事故中有80%是由于水害造成。同時(shí)因水害經(jīng)常誘發(fā)頂板事故，對(duì)工作面生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。

2.2 風(fēng)巷施工導(dǎo)向困難

礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，工作面布置時(shí)，必須先布置出下段風(fēng)巷。風(fēng)巷沿煤層等高線布置在煤層內(nèi)，控制腰線施工，當(dāng)煤層走向發(fā)生變化時(shí)，也只能在煤層內(nèi)順著煤層走向發(fā)生彎曲。同時(shí)，由于煤層小斷層發(fā)育，當(dāng)控制腰線施工的風(fēng)巷掘進(jìn)遇到構(gòu)造時(shí)，很難確定方向，巷道要么轉(zhuǎn)入頂扳，要么轉(zhuǎn)入底扳，造成巷道報(bào)廢，且增大煤與瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 煤柱損失大

為保證下段工作面風(fēng)巷的順利掘進(jìn)，需保留不小于15 m 的隔水煤柱。當(dāng)煤層走向發(fā)生變化時(shí)，使得區(qū)段煤柱長(zhǎng)短不均，原雙煤巷布置工作面的區(qū)段煤柱，局部地方煤柱達(dá)到40 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)區(qū)段煤柱的15 m，造成了資源的極大浪費(fèi)。

3 采煤方法的改進(jìn)

一是將區(qū)段巷道“雙煤巷”布置改成“一煤一巖”布置，巖巷布置在底板茅口灰?guī)r內(nèi)，作運(yùn)輸、抽放巷和排水巷；二是回采順序由下行改進(jìn)為上行開采，在回采時(shí)同時(shí)對(duì)上煤層巷道（回風(fēng)巷）采用沿空留巷的方式進(jìn)行無煤拄護(hù)巷，作為上段回采工作面的機(jī)巷，即上行無煤柱走向長(zhǎng)壁跨上山連續(xù)采煤法。

3.1 巷道布置

改進(jìn)后采區(qū)按雙翼布置，主干系統(tǒng)布置在煤層底扳巖石，距煤層垂距20～30 m；區(qū)段巷道在煤層內(nèi)布置一條定向掘進(jìn)的煤層巷道，采用“錨網(wǎng)梁”聯(lián)合支護(hù)，負(fù)責(zé)工作面通風(fēng)、行人、運(yùn)煤等；底板抽放巷，負(fù)責(zé)排水、瓦斯抽放、運(yùn)煤等。底扳抽放巷和煤巷用巖石斜巷聯(lián)系，主體上山用石門和底扳抽放巷聯(lián)系，工作面等長(zhǎng)布置，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為150～200 m。如圖1 所示。

圖1 上行無煤柱走向長(zhǎng)壁跨上山連續(xù)開采示意圖

3.2 采掘順序

先掘采區(qū)主干系統(tǒng)，形成采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)后，開始從末段由采區(qū)中部向兩翼布置，到一翼邊界后布置開切眼，然后由下而上逐段布置?；夭捎上露蠌那懈铋_始同向跨上山連續(xù)開采到另一翼邊界(下一段采過上山位置，上一段就可以進(jìn)入同向回采）。這種采掘部署可全部實(shí)現(xiàn)區(qū)段無煤柱和跨上山無煤柱連續(xù)開采，節(jié)約一條開切眼，減少一半工作面搬家、初放、收尾等工作量。

3.3 回采工藝及工作面設(shè)計(jì)能力

采用綜合機(jī)械化采煤， 工作面采用MG200/468-WD 型采煤機(jī)和SGW-150C 型刮板輸送機(jī)，支護(hù)用ZY3300/12/30Q 型液壓支架，液壓支架初撐力不低于26 MPa。工作面最大控頂距為5.9 m，最小控頂距為5.3 m，放頂步距為0.6 m，端面距不大于530 mm，全部垮落法控制頂板，采空區(qū)隨支架前移自行垮落充填，實(shí)行“兩采一準(zhǔn)”的作業(yè)形式，工作面設(shè)計(jì)能力25 萬t/a。

3.4 主要技術(shù)措施

（1）定向掘進(jìn)技術(shù)。底板抽放巷控制中線和腰線定向施工，煤巷控制中線定向施工，煤、巖巷互為導(dǎo)向，底板抽放巷以茅口十層（Pm10）和九層（Pm9）交界面作為巷道轉(zhuǎn)向標(biāo)志層。在實(shí)踐中，一是加強(qiáng)地質(zhì)工作，隨時(shí)掌握層位變化和煤層產(chǎn)狀變化情況，要求每旬收集巖層產(chǎn)狀并進(jìn)行定期分析；二是加強(qiáng)測(cè)量工作，按照定向設(shè)計(jì)要求每月至少2次對(duì)所掘巷道進(jìn)行測(cè)量，以便準(zhǔn)確掌握巷道的實(shí)際位置和分析煤、巖巷的相對(duì)高差，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修改巷道的方位；三是及時(shí)調(diào)整煤、巖巷定向的長(zhǎng)度，防止底板抽放巷遠(yuǎn)離煤層或距煤層較近，要根據(jù)地質(zhì)和測(cè)量資料合理地調(diào)整定向長(zhǎng)度，使煤、巖巷始終處于最佳位置關(guān)系。

（2）沿空留巷技術(shù)。一是對(duì)煤巷超前加固，在工作面前方15 m 開始對(duì)煤巷原錨網(wǎng)支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)打加固或者架廂加固；二是留小煤墩護(hù)巷，采用在工作面上隅角留煤墩作沿空留巷的巷幫支護(hù)，其煤墩參數(shù)根據(jù)煤礦實(shí)際確定傾斜長(zhǎng)度為3～5 m，走向每4～6 m 掘一個(gè)矩形安全出口；三是滯后維護(hù)，主要是在工作面后方50 m 范圍對(duì)巷道進(jìn)行維修，對(duì)失效支護(hù)、冒頂、片幫等及時(shí)修復(fù)。

（3）工作面瓦斯治理技術(shù)。采用穿層水力壓裂增透技術(shù)對(duì)預(yù)抽回采區(qū)域煤層增透，水力壓裂增透技術(shù)實(shí)施后，采用穿層網(wǎng)格鉆孔預(yù)抽回采塊段煤層瓦斯，穿層鉆孔孔徑不小于Φ75 mm，走向和傾向終孔間距不大于25 m?；夭擅嫘纬上到y(tǒng)后，在機(jī)巷和風(fēng)巷向工作面中部實(shí)施順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯，施工鉆孔孔徑不小于Φ94 mm，順層鉆孔孔間距不大于8 m，鉆孔盡可能上下相交。

4 應(yīng)用效果

該研究最早用于紅巖煤礦+180 m 水平2606 采區(qū)巷道布置和試采，產(chǎn)原煤296.4 萬t。截至當(dāng)前，已在3604、3601、3603、3605 等采區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4.1 上行開采徹底消除了水害

上行開采工作面未出現(xiàn)頂板淋水和水煤混運(yùn)等現(xiàn)象，頂板水和采空區(qū)水通過下部的抽放巷排出，工作面回采過程中水害得到了有效治理，消除了下行開采中難以治理的采空區(qū)水患，保證了工作面的正常安全生產(chǎn)。

4.2 實(shí)現(xiàn)了無煤柱護(hù)巷

為證明沿空留巷成功，在3604 三段結(jié)束1.5a 后，對(duì)所護(hù)煤巷每10 m 收集一個(gè)斷面參數(shù)，計(jì)算平均巷寬3.0 m，凈高2.4 m，凈斷面積5.74 m2，巷道斷面收縮率8.94%。另對(duì)3605 二段回采巷道和護(hù)巷進(jìn)行礦壓觀測(cè)，機(jī)巷頂板最大離層僅12 mm，風(fēng)巷頂板最大離層為0，沿空護(hù)巷頂板最大離層為35 mm，巷道變形頂板下沉最大21 mm，底板底鼓最大8 mm，兩幫移近量最大19 mm，見表1。

表1 2020 年紅巖煤礦3605 二段采煤工作面巷道礦壓觀測(cè)記錄表

4.3 抽放效果

采取全程下套護(hù)孔、“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)、“一孔一管一閘閥”固定抽采模式，取得較好效果。順層鉆孔單孔抽采純量由原來的0.021 m3/min 增加到0.031 m3/min，瓦斯抽采單孔純量增長(zhǎng)1.5 倍；穿層鉆孔抽采純量由0.023 m3/min 增長(zhǎng)到0.044 m3/min，瓦斯抽采單孔純量增長(zhǎng)1.9 倍。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益

一是從實(shí)施無煤柱走向長(zhǎng)壁采煤法以來，已安全產(chǎn)出556.3 萬t 原煤；二是用小煤墩進(jìn)行沿空留巷經(jīng)濟(jì)、可靠，護(hù)巷成本僅為118.3 元/m；三是提高資源回收率，采區(qū)回收率由80%提高到了95%；四是萬噸掘進(jìn)率下降36.2 m/萬t，減少井巷工程量2 萬余米。

5 結(jié) 語(yǔ)

上行無煤柱走向長(zhǎng)壁跨上山連續(xù)采煤法，沿空巷道穩(wěn)定，變形小，受采動(dòng)裂隙水及采空區(qū)水患影響小，實(shí)現(xiàn)無煤柱開采且成本低廉，安全性高。該采煤方法為地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、水害嚴(yán)重的礦井提供了一種新的開采方案探索。