連采連充技術巷道布置及充填條帶參數(shù)確定

焦若珂

(山西潞安礦業(yè)(集團)有限責任公司 古城煤礦，山西 長治 046100)

1 項目背景

司馬煤業(yè)位于山西省長治市西南部，沁水煤田長治勘探區(qū)的東部邊緣地段，礦井工業(yè)場地位于上黨區(qū)蘇店鎮(zhèn)西申家莊村西北側、經(jīng)坊煤礦鐵路專用線以東的開闊地上，北距長治市區(qū)約8.5 km，南距上黨城區(qū)約4 km.

經(jīng)過多年開采，司馬煤業(yè)資源枯竭問題日益嚴重，建(構)筑物壓煤資源解放問題就提上了議事日程。該礦全井田3號煤層資源量2.04億t，其中建(構)筑物及其保護煤柱壓覆資源量約1.45億t.若能通過綠色開采技術將建(構)筑物所壓覆的3號煤層資源量釋放出來，則能夠大幅度地延長3號煤層的服務年限。

連采連充開采技術是在傳統(tǒng)的巷式充填開采技術基礎上發(fā)展成熟起來的一種煤炭開采技術，工藝流程是將長壁工作面劃分為等寬的條帶，采用綜掘機間隔開采條帶，再間隔充填固(膏)體材料[1]。司馬煤業(yè)預采用連采連充開采技術來解決村莊壓煤問題。

2 連采連充工作面的位置選定及巷道布置

2.1 連采連充試驗區(qū)域的選定

結合開拓部署和煤質情況，該礦將一采區(qū)作為充填試驗區(qū)域，首個連采連充工作面為1116工作面，位于一采區(qū)1101工作面(已回采)南側，工業(yè)場地保護煤柱的東側，3號煤層風氧化帶的西側。

1116連采連充工作面對應地表：南部55.443 m為西申家莊矸石磚廠；東南側與城際快車道的最小距離僅35.926 m；地表還敷設有排水箱涵管路。經(jīng)計算，工作面資源儲量為202.84萬t.

2.2 采區(qū)準備巷道布置

從礦井3條開拓巷道(輔助回風巷、軌道大巷、膠帶大巷)向西延伸出3條準備巷道，自北向南分別為一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅰ段、一采區(qū)輔助回風巷Ⅰ段和一采區(qū)輔助軌道巷Ⅰ段。在這3條巷道的末端南北向布置3條準備巷道的延伸段，分別為一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅱ段、一采區(qū)輔助回風巷Ⅱ段和一采區(qū)輔助軌道巷Ⅱ段，見圖1.

圖1 巷道布置圖

一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅱ段沿煤層底板布置，一采區(qū)輔助軌道巷Ⅱ段和一采區(qū)輔助回風巷Ⅱ段沿煤層頂板布置，巷道凈間距為35 m.一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅱ段通過一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅰ段與膠帶大巷連通，形成主運輸系統(tǒng)；一采區(qū)輔助軌道巷Ⅱ段通過一采區(qū)輔助軌道巷Ⅰ段與軌道大巷連通，形成輔助運輸系統(tǒng)；一采區(qū)輔助回風巷Ⅱ段通過一采區(qū)回風巷Ⅰ段與輔助回風巷連通，構成回風系統(tǒng)。

2.3 1116工作面巷道布置

根據(jù)一采區(qū)煤層賦存情況、地質構造的分布以及采區(qū)巷道布置等影響因素，結合連采連充開采技術的特點，1116工作面巷道采用“W”型布置，即南、北兩側布置工作面運輸巷，中部布置工作面回風巷，3條巷道平行布置，其中北運輸巷與1101工作面采空區(qū)之間凈煤柱為10 m.在3條巷道的東部末端布置工作面聯(lián)巷，將3條巷道溝通。工作面的4條巷道(北運輸巷、南運輸巷、回風巷、聯(lián)巷)均沿煤層底板布置。

3 開采條帶參數(shù)的確定

3.1 1116連采連充工作面開采條帶長度的確定

3.1.1 考慮因素

1) 減少掘進機組的拐彎次數(shù)，盡量增加支巷的長度。如果支巷太短，掘進機組搬家次數(shù)太多，影響生產(chǎn)和工效。

2) 保證掘進機組后部連續(xù)運輸系統(tǒng)有一定的長度，增加掘進效率。

3) 支巷長度影響噸煤費用，包括掘進費、維護費以及運輸費等[2]。

3.1.2 開采條帶長度的確定

1116工作面南、北兩部分各布置1個開采條帶，條帶工作面落煤采用綜合機械化掘進機組。根據(jù)工作面范圍內(nèi)3號煤層底板等高線、條帶充填工藝要求等，確定開采條帶與工作面回風巷的夾角，夾角確定后條帶長度也相應確定。

提出2種布置方案：①開采條帶工作面與膠帶巷呈45°布置；②開采條帶工作面與膠帶巷垂直布置?，F(xiàn)對兩種布置方案進行技術經(jīng)濟比較。

1) 方案1：開采條帶與工作面回風巷呈45°布置。

優(yōu)點：①開采條帶工作面開口時，施工難度小，工人勞動強度小且耗時短；②開采條帶兩端回風巷標高大于運輸巷，有利于實施充填作業(yè)；③針對具體的充填工作面，采用呈45°布置方式，每條開采條帶工作面長度長，則整個充填工作面內(nèi)開采條帶的數(shù)量少，有利于采充正常銜接。

缺點：①與垂直布置方式相比，開采條帶工作面長度長，運輸設備(刮板輸送機)需進行搭接，占用設備多，管理難度大；②充填工作面開采初期和收尾時，在工作面聯(lián)巷和停采線附近存在三角煤。

2) 方案2：開采條帶與工作面回風巷垂直布置。

優(yōu)點：①與呈45°布置方式相比，開采條帶工作面長度短，所需運輸設備(刮板輸送機)少，管理難度小；②充填作業(yè)時，一次充填量少，工人作業(yè)時間短；③充填工作面開采初期和收尾，在工作面聯(lián)巷和停采線附近不需留設三角煤。

缺點：①開采條帶工作面開口時，施工難度大，工人勞動強度大且耗時長；②針對具體的充填工作面，與呈45°布置方式相比，采用垂直布置時，每條開采條帶工作面長度短，則整個充填工作面內(nèi)開采條帶的數(shù)量多，不利于采充正常銜接。

經(jīng)過上述技術經(jīng)濟比較，推薦采用方案1，即開采條帶與工作面回風巷呈45°布置，1116連采連充工作面的開采條帶長度為141.439 m.

3.2 開采條帶寬度的確定

連采連充工作面開采工藝中，直接頂?shù)目迓涫枪ぷ髅骈_采單元布置的關鍵。開采空間的頂板可以看作是被兩側煤柱支撐的“梁”結構，由于其開采范圍小，煤柱對頂板具有夾持作用，因此巖梁穩(wěn)定性計算可按“簡支梁”考慮[3]，結構模型如圖2所示。

圖2 頂板簡支梁結構模型

梁內(nèi)最大正應力σmax和最大剪應力τxy為：

式中：h為梁的高度，m；L為梁的寬度，m.3號煤層頂板力學試驗結果見表1.

表1 3號煤層頂?shù)装辶W試驗結果

考慮巖梁內(nèi)最大拉應力影響的巖梁極限跨度應為：

考慮巖梁內(nèi)最大剪應力影響的巖梁極限跨度：

式中：F0為安全系數(shù)，取2～4；Rt為抗拉強度；Rj為抗剪強度。

4 結 語

綜上所述，司馬煤業(yè)一采區(qū)地表建筑壓覆區(qū)連采連充開采試驗，形成的巷道布置和充填條帶參數(shù)結論如下：

1) 試采區(qū)域是通過現(xiàn)有開拓大巷向東延伸出的3條準備巷道，即一采區(qū)輔助膠帶巷、一采區(qū)輔助回風巷、一采區(qū)輔助軌道巷，每條準備巷道分Ⅰ、Ⅱ段兩段；

2) 1116連采連充工作面巷道采用“W”型方式，即布置4條工作面巷道，北運輸巷、南運輸巷、回風巷、聯(lián)巷；

3) 1116連采連充工作面開采條帶與工作面回風巷呈45°布置，開采條帶長度為141.439 m，開采條帶寬度為5 m.