相鄰采空區(qū)巷道布置與支護(hù)設(shè)計(jì)

燕杰星，左迎光，宋耀楠

(國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦31采區(qū)3-1厚煤層位于延安組的中部，平均埋深363.2m，煤厚2.05m～7.15m，平均5.25m，煤層傾角1°～3°，煤層最下部夾有1-2層夾矸(巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖)；基本頂為細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖、粉砂巖，厚度7.03m～33.66m，平均22.04m；直接頂為1.6m～8.95m的砂質(zhì)泥巖、泥巖；偽頂為0～0.4m的砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖；直接底為0.5m～2.0m的泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖(其中高嶺土巖層厚度0.4m～0.8m不等)，遇水易膨脹、泥化，采掘時(shí)均預(yù)留0.5m以上的底煤。參照《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》(MT554-1996)和煤層頂板巖性綜合分析3-1煤層頂?shù)装迩闆r：煤層直接頂為1b，屬不穩(wěn)定頂板；基本頂?shù)某醮蝸?lái)壓當(dāng)量平均值為1 113.89KN/m2，屬Ⅳa級(jí)；煤層底板較軟。

3-1厚煤層布置厚煤層綜采面，煤層內(nèi)采用連續(xù)前進(jìn)式開(kāi)采順序；綜采面采用走向長(zhǎng)壁式采煤法，后退式采煤，采用大采高一次采全高綜合機(jī)械化采煤工藝，自然垮落法管理采空區(qū)頂板。

1 綜采面巷道布置方式和回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)

1.1 厚煤層綜采面巷道布置方式

厚煤層綜采面采用三巷布置方式，分別是回風(fēng)順槽、膠運(yùn)順槽和下一個(gè)綜采面的回風(fēng)順槽，見(jiàn)圖1。

如圖1所示，31313膠運(yùn)順槽為進(jìn)風(fēng)巷，31313回風(fēng)順槽為回風(fēng)巷；其中，31313回風(fēng)順槽在經(jīng)受了相鄰的31311綜采面回采動(dòng)壓影響后礦壓顯現(xiàn)明顯，底板底鼓頻繁，不利于布置設(shè)備列車和特種車輛輔助運(yùn)輸，所以設(shè)備列車和單軌吊管線吊掛裝置均布置在31313膠運(yùn)順槽內(nèi)，并與31313膠運(yùn)順槽內(nèi)靠近綜采面開(kāi)采幫的帶式輸送機(jī)平行布置；在31313綜采面回采期間，31315回風(fēng)順槽兼做31313綜采面的輔助運(yùn)輸通道，屬于進(jìn)風(fēng)巷；而在31315綜采面回采期間，31315回風(fēng)順槽則作為31315綜采面的回風(fēng)巷。

圖1 31313綜采面三巷布置示意圖

1.2 采掘接續(xù)說(shuō)明

《煤礦安全規(guī)程》第一百五十三條規(guī)定，“礦井在同一煤層、同翼、同一采區(qū)相鄰正在開(kāi)采的采煤工作面沿空送巷時(shí)，采掘工作面嚴(yán)禁同時(shí)作業(yè)”。

31采區(qū)3-1厚煤層南翼，煤層內(nèi)各綜采面之間的開(kāi)采順序?yàn)檫B續(xù)前進(jìn)式。因此，綜采面回采作業(yè)前，其附近的掘進(jìn)作業(yè)必須提前完成。如圖2所示：31313綜采面回采之前，需要提前4個(gè)月完成31313切眼掘進(jìn)事宜，需要提前3個(gè)月完成31315回風(fēng)順槽掘進(jìn)事宜，然后31313綜采面依次進(jìn)入準(zhǔn)備期、安裝作業(yè)期和初采期；早結(jié)束的掘進(jìn)隊(duì)依次開(kāi)展31315備采面的膠運(yùn)順槽、聯(lián)絡(luò)巷和切眼的掘進(jìn)事宜，后結(jié)束的掘進(jìn)隊(duì)則依次開(kāi)展31315備采面開(kāi)口段巷道、31317回撤通道、31315回風(fēng)順槽等掘進(jìn)事宜；31313綜采面初采前，需安排一支小隊(duì)，超前31313綜采面采動(dòng)動(dòng)壓影響范圍之外進(jìn)行31315回風(fēng)順槽加強(qiáng)支護(hù)，31313綜采面回采結(jié)束后接續(xù)31315綜采面。

圖2 3-1厚煤層局部采掘接續(xù)示意圖

1.3 回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)

采用三巷布置的厚煤層綜采面，回風(fēng)順槽底板留煤厚度0.5m；回風(fēng)順槽要先后服務(wù)于相鄰的兩個(gè)綜采面，即先后要經(jīng)受兩次綜采面采動(dòng)動(dòng)壓影響，這對(duì)斷面支護(hù)強(qiáng)度的要求比較高。而為了加快掘進(jìn)速度，回風(fēng)順槽支護(hù)強(qiáng)度一般分兩次來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求：①掘進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)，只要滿足掘進(jìn)支護(hù)的需要即可；②錨索加強(qiáng)支護(hù)，進(jìn)一步提高支護(hù)強(qiáng)度。掘進(jìn)支護(hù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，掘進(jìn)速度就提高了，這對(duì)保證采掘接續(xù)平衡比較有利，如31317回風(fēng)順槽原支護(hù)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3、圖4，總的單米巷道成本約3 781.6元(見(jiàn)表1)。

圖3 原31317回風(fēng)順槽掘進(jìn)支護(hù)斷面

圖4 原31317回風(fēng)順槽加強(qiáng)支護(hù)斷面

1.4 存在的問(wèn)題

3-1厚煤層直接底較軟，遇水又易膨脹、泥化；回風(fēng)順槽掘進(jìn)留底煤厚度僅0.5m，巷道底板抗底鼓強(qiáng)度較低。掘進(jìn)活動(dòng)作用效果：①大型掘進(jìn)設(shè)備會(huì)對(duì)底板造成不同程度的碾壓破壞；②圍巖壓力重新分布，致使最為薄弱的巷道底板頻繁底鼓；③巷道底煤隔水層遭受破壞，淋水順著裂縫進(jìn)入，并對(duì)直接底形成浸泡狀態(tài)。這樣一來(lái)，回風(fēng)順槽頻繁底鼓且底板泥化嚴(yán)重，無(wú)法施工砼底板，無(wú)軌膠輪車輔助運(yùn)輸也比較困難，回采期間超前支護(hù)范圍單體液壓支柱鉆底也比較嚴(yán)重，綜采面機(jī)尾側(cè)端頭液壓支架下陷也比較明顯。

煤層平均厚度5.25m，巷道底板留煤0.5m，巷道設(shè)計(jì)高度4.0m，則頂板留煤厚度多在0.75m以上，頂三角煤過(guò)厚。該礦厚煤層綜采面采用了頂三角煤回收工藝，較好地減少了端頭頂三角煤的損失量。但是，巷道頂板留煤厚度越大，頂三角煤損失量就越大。不僅如此，過(guò)渡支架處綜采面中部頂板與端頭支架頂板之間的錯(cuò)臺(tái)也會(huì)因頂板留煤厚度的增加而增大，錯(cuò)臺(tái)處端頭支架頂梁的空頂現(xiàn)象也會(huì)因此更加明顯，這對(duì)綜采面端頭頂板管理也較為不利。

表1 優(yōu)化前材料消耗量和單米成本

二次組織人員開(kāi)展回風(fēng)順槽加強(qiáng)支護(hù)作業(yè)，人工及加強(qiáng)支護(hù)輔助設(shè)備設(shè)施等投入事倍功半，成本高而效率低。

先后兩次支護(hù)作業(yè)，僅錨索支護(hù)密度就高達(dá)3根/m；頂板加強(qiáng)支護(hù)錨索與頂板一排掘進(jìn)支護(hù)錨桿處于重疊狀態(tài)，被重疊的一排掘進(jìn)支護(hù)錨桿作用顯著降低。回風(fēng)順槽兩次支護(hù)作業(yè)，支護(hù)材料投入大而礦壓顯現(xiàn)依舊明顯，巷道底板仍頻繁發(fā)生。

2 優(yōu)化回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化回風(fēng)順槽在煤層中的位置

針對(duì)3-1厚煤層直接底的特性，確定回風(fēng)順槽在厚煤層中的位置關(guān)系時(shí)需要重點(diǎn)考慮3個(gè)方面：①底板留煤厚度要起到較好的隔水效果，不至于遭受掘進(jìn)機(jī)械頻繁碾壓后失去隔水效果；②通過(guò)增加底板留煤厚度來(lái)提高底板抗底鼓強(qiáng)度，以提高巷道底板的穩(wěn)定性；③留有適當(dāng)?shù)捻斆?，以方便掘進(jìn)期間的頂板管理。該礦最終將頂板留煤厚度限制在0.5m以下，巷道高度由原設(shè)計(jì)的4.0m降低至3.7m，巷道寬度由原設(shè)計(jì)的5.2m減少至5.0m。

2.2 優(yōu)化回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)

參照回風(fēng)順槽斷面數(shù)據(jù)，錨桿、錨索的支護(hù)參數(shù)和支護(hù)材料的計(jì)算結(jié)果：錨桿長(zhǎng)度應(yīng)不小于2.54m，錨桿直徑應(yīng)不小于20.1mm，錨桿間排距應(yīng)不大于1.435m，錨固力不小于100kN；錨索長(zhǎng)度應(yīng)不小于3.74m，錨索直徑應(yīng)不小于10.1mm，錨索間排距應(yīng)不大于4.51m，錨索預(yù)緊力不小于150kN。據(jù)此，該礦最終確定了回風(fēng)順槽錨桿、錨索支護(hù)參數(shù)和支護(hù)材料選型，如優(yōu)化后的31317回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖5)，單米巷道成本約2 512.9元(見(jiàn)表2)。

圖5 優(yōu)化后的31317回風(fēng)順槽斷面

而增加回風(fēng)順槽底板留煤厚度之后，并不會(huì)增加底三角煤的損失量。綜采面回采期間，采煤機(jī)截割機(jī)尾底三角煤時(shí)，要使綜采面中部底板與機(jī)尾處底板保持一致即可。這樣一來(lái)，不僅機(jī)尾底三角煤得到了充分回收，而且機(jī)尾底三角煤損失量也降到了歷史最低水平。

表2 優(yōu)化后材料消耗量和單米成本

3 效果對(duì)比

回風(fēng)順槽底板留煤厚度多在1.0m以上，底板抗底鼓能力提高了，底板隔水性能、抗碾壓破壞能力也都有了保障，巷道圍巖的穩(wěn)定性也就有基礎(chǔ)保障。

刨除原設(shè)計(jì)中的砼底板成本后，巷道掘進(jìn)成本仍減少了443.9元/m，人工勞動(dòng)強(qiáng)度降低了，作業(yè)環(huán)境改善了，掘進(jìn)速度也就有了保障和提高。

先后經(jīng)歷兩次綜采面采動(dòng)動(dòng)壓影響后，回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)一般，總的平均底鼓量一般不超過(guò)0.5m，平整后即可恢復(fù)巷道輔助運(yùn)輸功能。綜采面回采過(guò)程中，單體液壓支柱不再鉆底，端頭支架也不再下陷。

顯著降低了綜采面機(jī)尾側(cè)頂、底板三角煤的損失量，即機(jī)尾側(cè)頂、底板三角煤回收量增加了4.75t/m。

4 結(jié)束語(yǔ)

由國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦自主優(yōu)化完成的回風(fēng)順槽在厚煤層中的位置關(guān)系，能夠有效提高底板抗底鼓能力、底板隔水能力、圍巖穩(wěn)定性以及機(jī)尾側(cè)頂、底板三角煤的回采率。其優(yōu)化后的回風(fēng)順槽一次性斷面支護(hù)參數(shù)和支護(hù)材料選擇，降低了掘進(jìn)人工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了作業(yè)環(huán)境，提高了掘進(jìn)速度，掘進(jìn)成本降低了443.9元/m，達(dá)到了事半功倍的效果。其中的回風(fēng)順槽在厚煤層中的位置關(guān)系已申請(qǐng)了國(guó)家實(shí)用新型專利(“一種順槽巷道在厚煤層中的布置結(jié)構(gòu)”，專利號(hào)ZL201921658429.4)。該回風(fēng)順槽優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，可供具有相同需求的井工煤礦及相關(guān)企業(yè)應(yīng)用參考，直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益都非常明顯。