東曲礦28206 工作面底板抽放巷的優(yōu)化設計研究

李偉煒

（山西西山礦業(yè)管理有限責任公司，山西 太原 030053）

0 引言

隨著國家對煤礦防突工作的不斷加強，針對突出礦井，一般采用底板抽放巷對工作面實行區(qū)域預測和區(qū)域防突措施的執(zhí)行。由于煤巷掘進工作面主要采取順層鉆孔預抽煤巷條帶區(qū)域防突措施，順層鉆孔存在抽采濃度衰減速度快、抽采效果不理想等缺點，特別是在貫通巷道剩余60 m 的貫通范圍內(nèi)，存在瓦斯壓力、地應力非常集中的問題，導致順層鉆孔施工非常困難，施工周期長。為消除工作面突出危險性，確保巷道安全貫通，不得不采取新的消突技術措施[1]。本文以東曲礦28206 上底抽巷為例，對底抽巷設計優(yōu)化方向進行探討研究。

1 礦井概況

東曲礦位于山西省古交東南，井田面積為57.9km2，年設計生產(chǎn)能力為400 萬t，主要可采煤層為山西組2 號、4 號煤和太原組8 號、9 號煤。28206 工作面可采走向長690 m，上底抽巷設計工程量628 m。底抽巷層位布置在距煤層10～15 m 位置較為穩(wěn)定的巖層中。巷道采用錨網(wǎng)噴支護，錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距均為800 mm，噴厚50～100 mm。采用直墻半圓拱斷面，凈寬4.2 m，凈高3.5 m，凈斷面面積12.8 m2。

2 底抽巷優(yōu)化方向選定

2.1 工作面施工工期的選擇

工作面施工工期的長短直接影響礦井生產(chǎn)是否高效。28206 工作面的施工總工期（t）可分解為車場施工工期（t1）、底抽巷施工工期（t2）、防突措施工期（t3）、煤巷施工工期（t4）共4 個部分，用公式表達為：

式中：t0為各工序間的平行作業(yè)時間。因為各工序間存在互為基礎等原因（即沒有車場無法施工底抽巷和煤巷、防突措施未完成無法施工煤巷、防突措施需要在底抽巷內(nèi)施工），通過分析可知，增加底抽巷施工時間與防突措施間的平行作業(yè)時間將會大大縮短總工期。

2.2 底抽巷層位的選擇

通過選擇底抽巷層位可以縮小鉆孔工程量。鉆孔工程量的大小應根據(jù)煤厚等地質(zhì)情況確定，因為是在底抽巷內(nèi)施工，因此底抽巷距煤層間距將直接影響到巖孔的施工長度?？s小巖孔施工長度可明顯提高鉆孔利用率、減少鉆孔施工時間，進而縮短防突措施時間。

3 優(yōu)化內(nèi)容

3.1 巷道功能優(yōu)化

要保證巷道功能最優(yōu)化要盡量實現(xiàn)一巷多用。28206 上底抽巷設計功能為通過底抽巷探查工作面瓦斯含量和瓦斯壓力，并執(zhí)行區(qū)域防突措施。根據(jù)工作面情況及巷道施工位置，通過增加底抽巷內(nèi)少量工程可額外實現(xiàn)如下功能：超前探查工作面地質(zhì)情況，為工作面回采巷道布置和工作面回采打好基礎；通過底抽巷對工作面進行底板注漿加固等防治水工程。需增加工程內(nèi)容僅為在底抽巷口建立排水陣地，增加的工程量較小，卻可大大提高工作面的抗突水災害能力。

3.2 巷道布置相關選擇

巷道布置主要對層位選擇、支護類型、巷道位置等情況進行綜合考慮，從而選定最優(yōu)方案。

考慮到巷道的主要功能，應將底抽巷布置在工作面附近。除考慮底抽巷整個工作面的防突工作外，還應盡量考慮掘進期間防突問題，因此可將底抽巷位置布置在偏向順槽位置。

底抽巷層位選擇在穩(wěn)定巖層中。原設計方案：28206 工作面開采煤層為二1 煤層，煤層下方穩(wěn)定巖層為L7 灰?guī)r，煤層平均厚度為14 m，巖層平均厚度為7 m，灰?guī)r本身普式硬度系數(shù)為6～10，強度較高。因此選定層位為L7 灰?guī)r上部將有利于巷道的穩(wěn)定，減小支護難度，但距離煤層較遠，局部可達到17 m，不利于消突鉆孔施工。優(yōu)化設計方案：將巷道布置在L8 灰?guī)r下部，巷道直接頂為L8 灰?guī)r，平均厚度為2 m，且裂隙發(fā)育較完全，因此需采取適當?shù)闹ёo措施。

巷道位置優(yōu)化后的優(yōu)點：巷道掘進期間頂板控制難度降低，可充分利用圍巖自身強度，通過支護理論計算適當降低支護強度，進而節(jié)約材料成本、人工成本及縮短施工時間；當巷道頂板為L8 灰?guī)r時，巷道內(nèi)約有1.5 m 左右的泥巖，巷道下部為L7 灰?guī)r。因泥巖硬度系數(shù)低于灰?guī)r，因此可節(jié)約掘進工具使用量，減少工具損耗，進一步降低巷道掘進成本，減少后期維護工作。巷道位置優(yōu)化后缺點：不利于巷幫控制，易造成巷道斷面受壓變小等現(xiàn)象；防止誤揭煤層。

根據(jù)上述優(yōu)化條件需進一步優(yōu)化巷道斷面。為充分利用圍巖穩(wěn)定性，如仍采用半圓拱支護，勢必在巷道拱形部分存在泥巖巷頂，因泥巖與灰?guī)r膠結性差，易造成巷道頂板不穩(wěn)定，因此將巷道斷面由半圓拱形式優(yōu)化為梯形形式的巖層布置，這將有利于主動支護。

噴漿厚度根據(jù)優(yōu)化后的斷面進行調(diào)整?？紤]底抽巷使用周期較短，原設計噴砼覆蓋巷道可修改為噴厚以覆蓋鋼筋網(wǎng)為準，且不再對下部L8 灰?guī)r部分噴漿，直接利用圍巖自身性能控制巷道變形。

3.3 縮短工期舉措

為縮短掘進工期，增加了掘進與防突鉆孔施工的平行作業(yè)。因掘進期間必須進行超前地質(zhì)鉆探，控制前方地質(zhì)情況，每次掘進60 m 大概需打鉆3 d，全巷道預計影響時間為30 d。為解決這個問題采取的措施為在巷道附近開設鉆場打鉆，在預留足夠超前距的情況下，在鉆場內(nèi)打鉆不影響迎頭掘進，此舉可將28206上底抽巷施工時間縮短1 個月，預計施工9 個鉆場。

原設計防突措施孔施工在底抽巷內(nèi)，需將巷道施工完畢后才能施工，考慮掘進期間將要施工的鉆場，可在鉆場內(nèi)施工穿層鉆孔。如果在鉆場內(nèi)施工超前鉆孔，則會使底抽巷斷面進一步縮小，縮小斷面將有利于提高掘進速度、減少工程成本。

優(yōu)化斷面后，如果僅依靠超前鉆探所需鉆場，將人為增加防突鉆孔巖孔施工量。為減小巖孔施工量需增加鉆場數(shù)量，經(jīng)過模型模擬及現(xiàn)場實驗，最終將鉆場間距確定為30 m，規(guī)格優(yōu)化后的鉆場尺寸為4 m×3.5 m×4 m（寬×高×深），滿足打鉆需求。

影響巷道掘進速度的重要因素還有出碴時間。因利用主煤流系統(tǒng)出碴可大大提高出碴速度，但需要保證煤與矸石分裝分運；由于工人操作水平不統(tǒng)一、現(xiàn)場地質(zhì)條件多變等因素，很難保證掘進頭出碴時間與主煤流允許出碴時間相一致。為解決此矛盾，在底抽巷內(nèi)增設平碴倉，平碴倉尺寸為25 m×2 m×1.5 m（長×寬×深），設計容量75 m3，可至少滿足一班的矸石存放量，通過主煤流系統(tǒng)運送至平地。

4 穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施

底板抽放巷內(nèi)錯于被掩護煤巷平距10 m，法線距離10～15 m，掘進過程中在底板抽放巷鉆場內(nèi)施工鉆孔。鉆孔開孔間距400 mm，孔底間距（沿煤層面）10 m，控制掘進巷道煤層走向、傾向各15 m（緩傾斜或近水平煤層）范圍。底板抽放巷掘進結束后，在巷幫每隔6 m 處再次施工強化抽采鉆孔。穿層鉆孔施工期間采取水力沖孔增透措施。高壓（大于25 MPa）水從鉆頭上的出水口噴射而出，沖擊鉆頭周圍的煤體，配合鉆機的鉆進，破碎煤體。在底板抽放巷穿層鉆孔大面積預抽基礎上采取水力沖孔增透技術，延長了鉆孔衰減周期，提高了抽放濃度及抽放量。在28206 中順槽剩余63 m 貫通范圍內(nèi)采取穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施，在28206 上底板抽放巷內(nèi)施工穿層鉆孔114 個，增透卸壓鉆孔44 個，塊段卸煤量為525 t、卸煤率為10.6‰、每米煤孔卸煤量0.16 t/m。累計抽采瓦斯量14.54 萬m3，抽采率為48.62%，煤層殘余瓦斯含量最高為4.98 m3/t。

5 優(yōu)化前后效益分析

1）通過對比計算，巷道直接成本減少386 元/m，同時，每30 m 需新增1 個鉆場，折合材料費用193 元/m，實際節(jié)約巷道材料費用193 元/m。

2）根據(jù)目前掘進水平，底抽巷原施工速度90m/月，優(yōu)化后實現(xiàn)120 m/月，可減少施工工期1.75 個月。施工此巷道的工程隊伍單日平均出勤為52 人，據(jù)此計算本條巷道共計可節(jié)約工數(shù)2548 工，平均工值為232 元。可節(jié)約人工成本232 元/工×2 548 工=59.1 萬元，折合成本941 元/m。

3）在上底抽巷內(nèi)施工防突措施鉆孔可平均減少鉆孔長度15 m，在28206 上底抽巷內(nèi)預計需施工探測鉆孔80 個、卸壓鉆孔150 個，根據(jù)順層鉆孔單價100 元/m、穿層鉆孔單價150 元/m、卸煤量400 元/t。鉆孔預計可節(jié)約資金51.75 萬元，折合824 元/m。

4）經(jīng)以上分析計算得出，優(yōu)化設計后施工底抽巷可節(jié)約成本：193 元/m+941 元/m+824 元/m=1 958 元/m。同時縮短巷道施工工期可有效解決礦井采掘接替緊張局面，同時可有效防止小斷面圍巖變形嚴重問題，降低維修成本。

6 結語

對工程設計階段進行優(yōu)化能夠大幅度提高工程效率、減少施工時間、降低施工成本。在底抽巷設計階段，能夠通過設計內(nèi)容為后期施工及應用提供便利，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的直接效益和社會效益。通過對底抽巷設計優(yōu)化在實際中的應用情況進行分析，提出了設計優(yōu)化方向，并在實際應用中取得了顯著的效益。