河南陳四樓煤礦二十采區準備巷道優化布置方案

宋成義

(永城煤電控股集團有限公司陳四樓煤礦)

河南陳四樓煤礦為煤與瓦斯突出礦井，采用立井單水平上下山開拓方式[1]，水平運輸大巷布置于-440 m水平，大致沿二2煤層開拓，主要運輸方式為膠帶運輸，輔助運輸方式為蓄電池電機車運輸[2]。礦井現開采二2煤層，平均煤厚2.45 m，屬Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性，一次采全高。采煤方法為傾斜長壁后退式采煤法和走向長壁后退式采煤法[3]。礦井采用單一水平開采方式，分南北兩翼，現開采水平為-600 m水平。采區設有專用回風巷，采用分區通風方式。

陳四樓煤礦于1997年建成投產，目前已開采近20 a，隨著礦井連續多年高位運行，開采深度日益增加，生產系統環節漸多，井下水文地質條件日益復雜，采場生產能力逐漸降低，導致礦井采掘接替緊張。二十采區為準備采區，3條下山設計落底水平為-703 m水平，目前二十采區膠帶下山及軌道下山均已落底至設計水平并通過聯絡巷溝通。根據原二十采區開采方案，3條下山落底后布置3條水平集中巷道貫穿整個采區，即二十采區膠帶巷、二十采區軌道巷及二十采區回風巷，分別用于膠帶運輸、軌道運輸及采區回風。3條水平集中巷設計長度總計約1 800 m，剩余準備巷道工程量大，無法滿足采掘接替需要，如何優化開拓準備巷道布局，盡快形成二十采區生產系統已經成為緩解該礦井下采掘接替緊張的關鍵性問題。

1 工程概況

二十采區位于陳四樓煤礦北翼，東至北風井保護煤柱，南至F13正斷層及八采區邊界，西至二2煤層可采邊界，北至F18正斷層。該采區走向長 863 m，傾向長1 983 m，面積134.16萬m2，二2煤上限標高為-670 m，下限標高為-745 m，地面標高為34.68～35.24 m。二十采區地質構造較復雜，整體上是由F18斷層和F13斷層形成的地塹構造，區內西部發育有軸跡NE—NW向的高六灣向斜構造，地層傾角為3°～17°，平均為8°。該區斷裂構造共發育有33條，斷層走向分為2組，一組呈近EW走向，另一組呈NNE—NNW向發育。區內落差不小于20 m的斷層有3條，落差為5～20 m的斷層有20條，落差小于5 m 的斷層有10條，對采掘活動有一定的影響。該區二2煤層直接頂板的巖性多為泥巖或砂質泥巖，厚達0.71～7.93m，平均為4.38 m，整體發育穩定，北部局部直接頂不發育，基本頂巖性為細砂巖，直接底巖性為泥巖，局部泥巖不發育，煤層直接底板巖性為粉細砂巖或砂質泥巖(1109鉆孔)。

2 采區準備巷道優化方案

二十采區為下山采區，布置有3條下山用于膠帶運輸、軌道運輸及采區回風[4-7]。本研究結合該采區原設計方案，為縮短采區準備工期，緩解礦井采掘接替緊張局面，提出采用2條水平集中巷布置方案。

2.1 原有巷道布置方案

在二十采區3條下山落底處布置二十采區膠帶巷、軌道巷及回風巷，3條集中巷位于二2煤層頂板6～20 m厚的細砂巖、泥巖及砂質泥巖層位，巷道水平間距30 m，在采區北翼邊界(F18斷層保護煤柱)處通過末端聯絡巷相連，建立采區通風系統(圖1)。二十采區膠帶巷在二十采區膠帶下山下平巷內開口施工，底板標高-703 m，巷道開口沿3°方位、4‰上山施工560 m后，按12°下山施工30 m變平，而后平巷施工20 m至末端聯絡巷，用于采區膠帶運輸、進風及行人。二十采區軌道巷在二十采區軌道下山底車場內開口施工，底板標高-710 m，巷道開口沿3°方位、4‰上山施工640 m至末端聯絡巷，用于采區軌道運輸、進風、行人及排水。二十采區回風巷在二十采區回風下山下平巷內開口施工，底板標高-703 m，巷道開口沿3°方位、4‰上山施工670 m至末端聯絡巷，用于采區回風。

2.2 2條水平集中巷布置方案

在二十采區3條下山落底處布置二十采區運輸巷、回風巷，2條集中巷位于二2煤層頂板6～20 m厚的細砂巖、泥巖及砂質泥巖層位[8]，水平間距30 m，在采區北翼邊界(F18斷層保護煤柱)處通過末端聯絡巷相連，建立采區通風系統(圖2)[9]。二十采區運輸巷在二十采區膠帶下山下平巷內開口，底板標高-703 m，巷道開口沿3°方位、4‰上山施工610 m至末端聯絡巷，用于采區膠帶運輸、軌道運輸、進風、行人及排水。二十采區回風巷在二十采區回風下山下平巷內開口，底板標高-696 m，巷道開口沿3°方位施工80 m后，按10°下山施工40 m變平，而后平巷施工550 m至末端聯絡巷，用于采區回風。

該方案的優點為：①有助于減少二十采區準備期間的巖巷工程量，使得采區盡快滿足回采條件，可有效緩解礦井采掘接替緊張的難題，采用2條集中巷布置方案較3條集中巷布置方案可節省巖巷工程量約640 m，按照巖巷70 m/月的單進水平計算，可提前4.6個月形成二十采區生產系統；②減少前期成本投入，降低噸煤成本，巖巷按4 200 mm×3 600 mm直墻半圓拱斷面進行計算，可節省投入約588.8萬元(巖巷按0.92萬元/m計算，其中材料費0.63萬元/m、人工費0.29萬元/m)；③增加工作面推進長度，提高煤炭資源回收率，采用2條集中巷布置方式[10]，大巷保護煤柱寬度較3條集中巷布置方案減少30 m，占壓保護煤柱減少，可增加前期回采煤量約65萬t(按長度600 m、平均煤厚2.6 m、密度1.46 t/m3、回采率95%進行計算)，有利于后期回收大巷保護煤柱；④減少二十采區準備巷道后期維修工程量，延長巷道服務周期。

圖1 3條水平集中巷布置示意

圖2 2條水平集中巷布置示意

該方案的不足之處在于：①增加采區準備巷道掘進難度，采用3條集中巷布置方案的巷道斷面為4 200 mm×3 600 mm(寬×高)直墻半圓拱斷面，2條集中巷布置方案的巷道斷面為4 800 mm×3 900 mm(寬×高)直墻半圓拱斷面，巷道斷面增大不僅影響單進進尺，而且不利于巷道支護穩定[11]；②軌道與膠帶位于同一條巷道內，不利于設備的維護與管理，不利于軌道運輸安全。

經過綜合分析可知，2條集中巷布置方案優于3條集中巷布置方案，且通風、運輸、排水等永久生產系統相對經濟合理，故而本研究選用該方案對陳四樓煤礦二十采區準備巷道進行布置。

3 巷道斷面支護設計

二十采區3條下山落底后，布置采區水平集中巷貫穿整個采區，水平集中巷位于二2煤層頂板約6～20 m厚的細砂巖、泥巖及砂質泥巖層位。類比該礦其他采區開拓準備巷道斷面設計，并結合二十采區煤巖層賦存條件，本研究選用承載能力較強的直墻半圓拱斷面[12]，巷道斷面規格根據采區通風、運輸、行人、排水、管線布置及檢修等需要進行設計，二十采區回風巷選用巷道斷面型式為凈寬4 200 mm、凈高3 600 m的直墻半圓拱斷面，二十采區運輸巷道斷面型式為凈寬4 800 mm、凈高3 900 m的直墻半圓拱斷面。本研究結合巷道地質資料，設計采用錨網噴+錨索的支護方式。

3.1 錨網噴支護

巷道頂部采用φ20 mm×2 200 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，兩幫采用φ18 mm×2 200 mm左旋螺紋鋼高強錨桿，底角幫錨桿與水平面成15°夾角傾斜向下，其余錨桿均垂直于巷道輪廓。錨桿類型為Q335高強錨桿，材質為左旋螺紋鋼，屈服強度不小于335 MPa，抗拉強度不小于455 MPa，伸長率不小于17%[13-14]，錨桿間排距為800 mm×800 mm。噴層厚度為100 mm，混凝土強度等級為C20，配合比(質量比)為水泥∶砂∶米石=1∶2∶2。水泥為普通硅酸鹽425#水泥；砂為中粗砂，細度模數宜大于2.5，含水率為8%～10%，不宜使用有酸、堿或含油的水；米石須堅硬耐久，粒徑為5～15 mm；速凝劑標號為782-3，摻入量為水泥質量的2%～5%，噴拱部時取上限，淋水區可酌情加大摻入量；每次噴漿時須預留100 mm網邊，便于金屬網間搭接。

3.2 錨索加強支護

選用單錨索或錨索梁對巷道頂幫進行加強支護，錨索采用φ18.9 mm×6 300 mm鋼絞線[13-14]，每根錨索使用3卷MSM2350樹脂錨固劑，錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm。錨索梁采用12#槽鋼梁加工而成，一梁三索，錨索間排距為1 300 mm×1 600 mm。

3.3 架棚支護

根據巷道斷面確定棚梁及連接板數量，棚腿外扎角85°，棚梁搭接450 mm，棚距700 mm，卡攬螺栓力矩不宜小于300 N·m，連接板螺栓力矩不宜小于100 N·m。棚子用半圓木背實，混凝土噴射厚度以棚子外露50 mm為準。全斷面注漿充填裂隙，對巷道輪廓線以外2 m范圍內進行加固，注漿管采用φ20 mm×2 000 mm鋼管加工而成，注漿管間排距為2 100 mm×2 100 mm，每排布置5根(正頂、兩肩窩及兩底角各1根)，注漿管埋設后外露不超過100 mm。注漿時，漿液采用普通硅酸鹽425#水泥配制，水灰比為0.8～1，注漿壓力控制在0.8～1 MPa[13-15]。注漿后及時打探眼檢查注漿質量(確保探眼內無空洞或裂縫)，探眼布置于2排注漿孔之間，深度為1 000 mm，與注漿孔成五花形布置。

4 討 論

(1)2條集中巷布置導致二十采區軌道下山底車場存車線距離縮短，尤其是二十采區水倉清理期間，因存車空間有限將增加運輸環節及倒運次數，從而降低運輸效率，進而影響正常采掘期間生產車輛供應。通過繞道車場優化設計，繞道車場內鋪設雙道，既有效解決了存車線短的問題，又起到溝通二十采區軌道下山與二十采區膠帶下山通風系統的作用，減少了聯絡巷工程量。

(2)二十采區運輸巷采用“機軌合一”的布置方式，考慮到集中巷層位、地質構造及服務年限，為保證巷道支護強度，巷道選用凈寬4 800 mm、凈高3 900 m 的直墻半圓拱斷面，軌道僅能單趟鋪設，間接增加了運輸難度。通過適當增加各工作面車場巷道斷面規格及長度，在工作面車場內鋪設雙道形成臨時車場的方式，便于車輛調運及臨時存放，可有效解決二十采區運輸巷內無存車場的難題。

(3)二十采區為雙翼開采，該采區運輸巷內軌道運輸布置于巷道中心西側，膠帶運輸布置于巷道中心東側，為避免出現膠帶跨越軌道的現象，集中巷西翼工作面煤流采用溜煤眼與二十采區運輸巷內膠帶輸送機相連，集中巷東翼工作面軌道采用逆向繞車場與二十采區運輸巷內軌道相連，既有效解決了膠帶與軌道穿插布置的問題，又滿足了生產需要，另通過溜煤眼的設計，可減少巷道工程量，并且有利于順槽掘進期間合理控風。

5 結 語

對陳四樓煤礦二十采區準備巷道布置方案進行了優化設計，并對巷道斷面型式及支護工藝進行了討論。方案的成功實施，既減少了采區準備工程量，降低了前期成本投入，又縮短了采區準備工期，緩解了采掘接替緊張現狀，可供類似礦山參考。

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