靈北礦下組煤工作面布置方案的優化

張海榮

（山西汾西礦業集團公司河東煤業 靈北煤礦，山西 靈石031300）

1 礦井儲量及開拓方式

靈北礦井田面積29.537km2，工業儲量307.47Mt，設計可采儲量219.67Mt，礦井規模為2.4Mt／a，礦井設計服務年限為65.4a。

靈北礦井采用斜井開拓方式，劃分為兩個水平，其中一水平標高＋620m，開采和5＃煤層；二水平標高＋530 m，開采9＃和10＋11＃煤層。

2 巷道布置方式

在井田中央布置上、下組煤南北兩翼大巷，其中北翼大巷至井田北部邊界，受井田形狀影響，南部大巷沿正南方向布置至X＝4089000時轉至東南方向平行1、2號拐點井田邊界布置，以形成上、下組煤兩翼開采的格局，上、下組煤大巷采用重疊布置。

3 下一采區布置及煤層地質情況

下一采區位于井田中北部，為雙翼開采采區。下一采區東、西、北部均以井田邊界線為界，南部以F15斷層和采區邊界線為界。下一采區采用條帶布置，布置于井田中部南北方向的＋530m水平膠帶、輔運、回風大巷即為下一采區準備巷道，直接在＋530m水平膠帶、輔運、回風大巷兩側布置回采工作面。＋530m水平回風大巷、＋530m水平輔運大巷均沿9＃煤層頂板布置，＋530m水平膠帶大巷沿10＃煤層頂板布置，巷間距30m。＋530m水平膠帶大巷凈寬5.0m，凈高3.4m，凈斷面17.0m2；＋530m水平輔運大巷凈寬5.0m，凈高3.5m，凈斷面17.5m2；＋530 m水平回風大巷凈寬5.4m，凈高3.3m，凈斷面17.82 m2；巷道均采用矩形斷面，錨網、錨索補強聯合支護，3條大巷位置關系見圖1。下一采區內可采煤層為9＃、10（10＋11）＃、11＃煤層，根據礦井開拓部署，9＃、10（10＋11）＃、11＃煤層采用聯合開采方式，即開采9＃、10（10＋11）＃、11＃煤層煤層時共用一組回采巷道，下一采區煤層開采順序采用先上后下，逐層開采的開采順序。

9＃煤層：位于太原組下部，K2灰巖之下，層位穩定，平均厚度1.30m，煤層結構單一，屬全區穩定可采煤層。頂板K2灰巖平均厚度8.20m，底板巖性為泥巖，厚度一般為1～2m。

10（10＋11）＃：位于太原組下部，下距11＃煤層0～4.05m，平均1.62m，層位穩定，厚度大。10（10＋11）＃煤層厚度1.36～8.46m，平均5.83m，煤層結構簡單－復雜，常含2～4層夾矸，在井田南部10＃、11＃煤層之間的夾矸厚度大于0.70m，將10＃與11＃煤分開，為全區穩定可采煤層。

11＃煤層：位于太原組下部，下距太原組底界砂巖（K1）約10m左右，煤層厚度平均1.06m，煤層結構簡單—較簡單，常含0～2層夾矸，為不穩定的大部可采煤層。

圖1 大巷位置示意

4 9＃、10＃工作面長度及回采方法

依據河東煤礦開采10＃工作面成功經驗，結合相鄰礦井開采9＃、10＃的經驗和現集團公司回采設備的性能，初步將9＃煤工作面的寬度確定為200～220m，采用長壁式綜合機械化采煤頂板垮落采煤法。10＃的工作面寬度為200m，采用長壁式綜合機械化低位放頂煤全部垮落采煤法。

5 9＃、10＃煤工作面內外錯的確定

外錯布置的優點：①10＃煤工作面順槽布置時在9＃煤工作面所留煤柱中掘進，頂板無破壞不影響掘進施工；②10＃煤工作面間留設的煤柱較小，采區回收率較高，資源浪費少。

外錯布置的缺點：①10＃煤工作面回采期間，所形成的煤柱為倒梯形，端頭及超前支護段壓力大不利于頂板管理；②10＃煤工作面回采期間，始終過9＃煤順槽破壞區（包括水倉、絞車硐室等），增加了管理難度。

內錯布置的優點：10＃煤回采期間工作面的煤柱較大，形成正梯形的煤柱，端頭及超前支護段壓力小，利于頂板管理。10＃煤回采期間不受9＃煤順槽破壞區的影響，利于組織生產。

內錯布置的缺點：10＃煤工作面的煤柱留設大，影響采區的回收率，造成部分資源浪費。10＃煤工作面順槽掘進期間老頂已破壞，對支護及掘進速度由影響。

通過對上述內外錯優缺點的比較，兼考慮9＃、10＃煤層發火性為Ⅱ類自燃煤層的特性及9＃、10＃煤間間距較小、10＃煤層較厚的特點，確定9＃、10＃煤層工作面采用內錯的布置形式。

6 9＃工作面的設計理念

9＃煤工作面布置對是否兼顧對翼及相鄰9＃煤工作面和內錯的10＃煤工作面提出了新的要求。

因下一采區3條大巷的間距較小（中－中為30m），＋530m回風巷、＋530m軌道巷均沿9＃煤頂板布置，＋530 m膠帶巷沿10＃煤頂板布置且布置3條大巷的最右側（大巷掘進方向），兼之9＃煤和10＃煤層間距較小，認為：

工作面獨立布置時具有系統獨立，工作面采掘銜接不受影響的優點，但存在工作面輔助措施巷道多，過空巷多，每個相鄰工作面布置巷道時在空間上交錯復雜，不利于通風及安全管理的問題，最后確定對對翼、相鄰及內錯10＃煤工作面兼顧的設計理念。

7 9＃、10（10＋11）＃煤層回采巷道布置及煤柱設計

9＃煤層與10（10＋11）＃煤層間距0.47～5.40m，平均層間距3.62m，9＃煤層與10（10＋11）＃煤層采用聯合開采方式，屬近距離煤層開采。9＃煤層開采時煤柱的留設導致10（10＋11）＃煤層應力的重新分布，鑒于上、下煤層之間的影響關系，在10（10＋11）＃煤層回采巷道的布置過程中，回采巷道位置的選擇主要取決于9＃煤層煤柱的應力影響情況。因此，9＃煤層回采巷道布置必須兼顧后期10（10＋11）＃煤層回采順槽布置。依據9＃煤層與10（10＋11）＃煤層層間距及頂底板巖層條件，順槽巷道采用內錯布置方案，內錯距作為近距離煤層開采過程中一個重要的參數，對10＃煤層巷道以后布置有著至關重要的影響。

根據彈性力學中半平面問題的求解結果，在均布載荷條件下煤層底板的應力分布規律，即煤柱壓力在煤層底板巖層內傳遞是由近及遠，由大到小的。應力在煤層底板巖層內將傳遞相當遠的范圍，而且隨著遠離煤層而逐漸衰減，其應力影響范圍可以簡化為兩條直線包絡下的范圍（見圖2）。隨著遠離煤層，向底板中的深度愈大，產生的垂直應力愈小，認為0.1p大小的應力對巷道的影響是可以忽略的，因此可以確定煤柱的應力影響邊界在0.1p處（見圖3）。

圖2 巷道受力示意

圖3 應力影響范圍示意

結合礦井的具體地質條件，在分析9＃煤層開采后對10＃煤層的影響關系時，取影響角θ＝45°（見圖4）。10＃煤層的巷道必須布置在支承壓力影響線煤層中，才能避開9＃煤層留設煤柱壓力的影響，即滿足式（1）。

圖4 9＃煤煤柱支承壓力邊界線及邊界角

式中：Lo為9＃煤煤柱與10＃煤層巷道的水平間距，m；θ為壓力傳遞影響角，取45°；h2為10＃煤層頂板巖層厚度，0.47～5.4m，取最大值5.4m；h3為10＃煤層巷道高度，取3.0m。

代入數據得：Lo≥8.4m

由于9＃煤層巷道掘進沿頂板起底掘進，9＃煤層與10＃煤層的內錯距見式（2）。

式中：Ln為10＃煤層巷道的內錯距，m；B為9＃煤層巷道寬度，取4.5m。

代入數據得：Ln≥3.9m

由上可知，為避免9＃煤層遺留煤柱集中應力的影響，9＃煤層回采巷道與10＃煤層巷道的內錯距最小應為3.9 m，考慮到一定的安全系數（1.3～1.5倍），內錯距確定為Ln≥（5.07～5.85）m，9＃煤層和10＃煤層巷道寬度為4.5 m，即巷道內錯布置后中心距離為9.57～10.35m，最終確定9＃、10＃煤層順槽合理的內錯距離為10m。

8 9＃煤工作面布置方案的比較及優化

依據上述內容對9＃煤工作面布置提出二套布置方案。

9＃煤工作面布置原則：① 兼顧對翼及相鄰9＃煤工作面和10＃煤工作面布置；②9＃、10＃煤工作面布置采用內錯布置；③ 工作面布置掘進期間較少全巖巷道，快速高效；④ 巷道布置簡單、安全合理便于管理和以10＃煤工作面生產為主的原則；⑤ 結合工作面總體布置及工作面所在開口位置的標高及層位關系。

方案一：9＃煤工作面順槽為輔，以10＃煤工作面順槽布置為主，10＃煤工作面順槽均跨＋530m膠帶大巷，施工人工假頂澆筑溜煤眼與＋530m膠帶大巷聯通形成運輸系統。輔助運輸系統從＋530m軌道巷開口施工繞道與主順槽貫通，形成輔助運輸系統。回風繞道利用對翼工作面順槽構回風聯巷，形成回風系統，對翼順槽過＋530m軌道巷及＋530m回風大巷時均從下方通過，通過段施工砼頂。9＃煤工作面順槽與10＃煤工作面順槽利用兩巷高差施工斜巷讓煤矸自流，輔助系統則在平巷段施工聯巷。

方案二：9＃煤工作面順槽為輔，10＃煤工作面順槽為主，軌道順槽直接與＋530m水平大巷貫通形成運輸系統，膠帶順槽則跨＋530m膠帶巷以溜煤眼形成運輸系統。輔助運輸系統均從＋530m軌道巷開口施工繞道與主順槽貫通，軌道順槽繞道從＋530m水平膠帶巷下方通過，通過段施工砼頂。膠帶順槽利用對翼順槽構回風系統。軌道順槽施工回風繞道直接與＋530m回風巷貫通，繞道均從＋530m膠帶巷及＋530m軌道巷通過。9＃煤工作面順槽與10＃煤工作面順槽利用兩巷高差施工斜巷讓煤矸自流，輔助系統則在平巷段施工聯巷（見圖5）。方案的比較見表1。

圖5 方案二：9＃煤工作面布置

表1 方案優缺點比較

通過對上述方案的比較，方案二具有運輸能力大，設備投入少，工作面可靈活布置、利于組織施工和安全管理等優點，故將方案二作為設計方案并組織編制設計等技術措施。

9 結語

靈北礦從剛開始簡單的一個9＃煤工作面布置，優化到兼顧相鄰工作面布置，從簡單的一層煤設計不斷優化至上下兩層煤同時兼顧，通過系統方案的比較，使設計更趨于合理，促進了礦井的安全高效生產。