沖擊地壓條件下工作面巷道層位選擇

聶書遙

(陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

陜西彬長集團孟村煤礦位于咸陽市長武縣東部，東西長為10.5 km，南北寬為6.5 km，井田面積61.2 km2。可采面積約58.77 km2，地質儲量8.6億t，可采儲量6.4億t，礦井設計規模600萬t/a，服務年限71.5 a。采用單水平立井開拓方式，中央并列式通風方式，抽出式通風方法。

1 工程概況

1.1 煤層及頂底板情況

煤層情況：開采煤層為侏羅紀延安組4#煤層，傾角平緩，一般小于7°，構造簡單，埋深為430～690 m，厚度3.70～26.02 m，平均厚度16.13 m，屬易自燃煤層。

頂底板情況：4#煤偽頂為黑色炭質泥巖，厚度極小，與采煤同時垮落。直接頂板為砂質泥巖，平均厚度3.38 m；基本頂為粗砂巖、細砂巖，厚度7.75～20.5 m。底板為灰褐色含鮞狀結構的鋁土質泥巖，鋁質泥巖厚度1.83～7.77 m，屬軟弱巖層，遇水膨脹，產生底鼓現象，屬不穩定底板。

1.2 涌水情況及煤層沖擊性

涌水情況：礦井正常涌水量490 m3/h、最大涌水量735 m3/h，礦井水文地質類型為復雜型。

煤層沖擊性：4#煤層煤塵具有爆炸危險性，礦井為高瓦斯礦井，4#煤層經鑒定具有強沖擊傾向性，為沖擊地壓煤層，礦井為沖擊地壓礦井。該井田開采的4#煤層沖擊傾向性等級為強，煤層底板無沖擊，頂板為弱沖擊。

2 首采面巷道布置及支護

2.1 首采面概況

4#煤層平均厚度16.13 m，屬特厚煤層開采，因此采取分層開采的方法布置工作面兩順槽。布置的首采面401101工作面可采走向長度2 090 m，傾向長度180 m，設計回采煤層厚度10.5～12.0 m，平均11.6 m。工作面割煤高度3.5 m，放煤高度8.1 m，采放比1∶2.31，4#煤視密度1.36 t/m3。根據實際工作面回采情況，正常割煤高度3.5 m，放煤高度11.3～15.8 m。

2.2 支護情況

依據支護設計，運順、回順、措施巷采用錨+網+索支護，高抽巷采用錨桿+木托盤+網支護，運、回順過斷層區域架設29U型鋼棚加強支護。

運輸順槽：可采長度2 090 m，寬度5 500 mm，高度3 550 mm，布置在4#煤層中，與中央膠帶輸送機大巷相連。

回風巷：可采長度為2 090 m，布置在4#煤層中，寬度5 500 mm，高度3 750 mm，與401盤區一號回風大巷相接。

措施巷：長度為1 800 m，寬度為4 500 mm，高度3 250 mm，布置在4#煤層中，與401盤區輔助運輸大巷相接。

高位瓦斯抽放巷：布置在4#煤頂板以上穩定巖層中，與進風巷平行布置，內錯回風順槽20 m(凈巖柱)，總長2 090 m，寬度2 800 mm，高度2 500 mm。

錨桿材料：進風巷、回風巷、措施巷、高抽巷的頂板、幫部支護錨桿桿體材料采用Ⅱ級左旋螺紋鋼，直徑為22 mm，錨桿長度為2 500 mm，錨桿外露長度為10～40 mm，每根錨桿使用1支K2360和1支Z2360型樹脂錨固劑。錨桿托盤采用Q235鋼，規格為150 mm×150 mm×12 mm，支護網片采用8#鍍鋅菱形鐵絲網，網片搭接為100 mm，頂板配套使用鋼帶，幫部配套使用鋼筋梯聯合支護。

錨索材料：進風巷、回風巷、措施巷頂板錨索均采用φ21.8 mm的1×19股鋼絞線，錨索長度為7 100 mm。配套使用托盤和錨索梁，托盤采用的是300 mm×300 mm×16 mm的Q235蝶形托盤；每根錨索使用1支K2360和2支Z2360型樹脂錨固劑，錨索外露長度150～250 mm。

3 巷道層位布置方案及對比

3.1 巷道層位布置方案

由于煤層底板遇水易膨脹，極易產生底鼓現象[1-4]，不利于巷道維護；其次巷道承受上覆4#煤體的強沖擊性，疊加頂板的弱沖擊性效應，產生的沖擊能量較大[5-8]，因此該工作面巷道不宜布置在巷道底板。由于4#煤為厚煤層開采，提出以下3種巷道布置方案，圖1為巷道布置方案示意圖。

圖1 巷道布置方案圖

方案一為綜采工作面兩順槽及切眼沿頂板布置，形成回采工作面。方案二(當前布置形式即為方案二)為綜采工作面兩順槽及切眼在煤層中間距頂板15～18 m處布置，形成回采工作面。方案三為綜采工作面兩順槽及切眼在煤層中間距頂板7.5 m處布置，形成回采工作面。

3.2 方案一優缺點分析

優點：①頂板控制及沖擊威脅方面—支護設計中φ22 mm×2 500 mm錨桿和φ21.8 mm×7 100 mm錨索將分別深入直接頂和基本頂，通過錨桿、錨索的延伸傳導及組合懸吊作用，形成淺層和深層均穩定頂板圍巖。從受沖擊地壓危害角度考慮，由于跟頂掘進，巷道僅受到來自頂板的弱沖擊。同時，由于錨桿、錨索將分別深入直接頂和基本頂，頂板的整體穩定性得到加強，弱沖擊釋放空間及量級也會變弱，有利于巷道避免受到較大沖擊威脅[9-12]；②安全高效掘進和巷道質量標準化控制方面—由于兩順槽沿煤層頂板布置，有穩定頂板層位可以跟蹤掘進，并且頂板相對于煤體易于控制和保持完整性，錨桿、錨索等巷道支護布置易形成成排成線管理，從而為巷道的質量標準化管理打下基礎；③沖擊保護層開采方面—沿頂板布置的綜采工作面，一次采全高結束后，煤體頂板形成3.5 m高采空區。即相當于將頂部的3.5 m煤厚以保護層形式開采，這為下部煤體沖擊應力的釋放提供了空間；④采空區瓦斯管理方面—由于沿頂板一次采全高，采空區未遺留頂部煤炭，有利于采空區防滅火以及瓦斯管理；⑤偽頂形成方面—沿頂板布置采面回采后，3.5 m的開采高度，相對于15～18 m的放頂煤開采高度，更有利于形成牢固可靠的偽頂，為下部厚煤層盡早回采做準備。

缺點：①單產效率遠低于目前的綜放開采，如要達產600萬t/a的年設計產量，還需再布置4個采面，其成本及其他費用投入較大；②隨著頂部3.5 m煤體回采，采空區內易形成嚴重積水區域，有一定水害隱患。

3.3 方案二優缺點分析

優點：出煤快，產量高。由于工作面割煤高度3.5 m，放煤高度11.3～15.8 m，工作面儲量夠的情況下，單采面即可完成600萬t/a的年設計產量。

缺點：①沖擊威脅方面—由于頂板支護選用φ22 mm×2 500 mm錨桿和φ21.8 mm×7 100 mm錨索，全部錨固在頂部煤體中，巷道受到來自頂板和4#煤自身沖擊威脅較大。掘進期間，全煤體掘進對前方斷層等地質構造不易察覺，極易受到斷層附近沖擊顯現的威脅。回采過程中，由于需要防治沖擊地壓，常常超前進行頂板高壓水預裂或放松動炮，這也給全煤體錨固巷道支護帶來不安全隱患；②安全高效掘進和巷道質量標準化控制方面—由于支護布置在全煤體內，無明顯標志層位跟蹤掘進，巷道層位不易控制，頂板不易控制和保持完整性，錨桿、錨索等支護布置難以成排、成線管理；③掘進期間對巷道上覆頂煤厚度情況掌握不清楚，對7.1 m錨索錨固段以外頂煤厚度情況掌握不清楚。如果沖擊的能量是由于煤體上覆頂板的斷裂釋放的能量通過作用在上覆煤體后，疊加上覆煤體彈性勢能的釋放，一起施加到巷道內形成沖擊顯現的話，則上覆煤厚越厚，顯現的能量越高。由于沒有對巷道上覆頂煤厚度情況掌握，就無法找到顯現能量與厚度之間的關系和規律，對沖擊地壓的防治和研究也無法主動開展；④采空區瓦斯管理—由于對上覆13～15 m的煤進行放頂煤回采，造成采空區未遺留有大量煤炭，不利于采空區防滅火以及瓦斯管理；⑤偽頂形成方面—15～18 m的開采高度，其形成偽頂的時間可能長達數10年，同時也不容易形成牢固可靠的偽頂，其采空區形成水害的威脅將更加巨大，對下部煤體開采帶來極其不利的影響，可能會造成下部煤炭資源無法開采。

3.4 方案三優缺點分析

布置方式：通過對方案一和方案二的分析，發現兩者互為長短，是巷道層位選擇方向的兩個極端。因此提出了折中方案，即方案三。方案三將頂板支護選用的φ21.8 mm×7 100 mm錨索變更為φ21.8 mm×8 800 mm錨索。同時，上提巷道頂板層位，使巷道頂部層位距離煤層頂板7.5 m，錨索深入砂質泥巖頂板不少于1.3 m，保持巷道頂部支護跟隨煤層頂板施工。如按此方式布置，工作面一次采全高3.5 m，放頂煤高度7.5 m，采放比為1∶2.14，合計回采高度11 m，約為礦井目前采用方案二布置形式的2/3產量。

優點：①防止沖擊威脅方面—通過錨索的延伸傳導及懸吊作用，依托直接頂穩定巖體增加巷道頂部煤體的穩定性，從而減少受沖擊地壓威脅；②安全高效掘進和巷道質量標準化控制方面—由于支護生根點在直接頂板，能夠較好地通過布置錨索支護，控制好頂板，提高掘進速度，促進巷道支護質量標準化管理；③掘進期間能夠對巷道上覆頂煤厚度情況、上覆頂煤煤厚變化及趨勢及時掌握，通過儀器觀測確定沖擊能量顯現與厚度之間的規律，并以此為基礎開展不同煤厚及錨索支護長度下沖擊地壓顯現規律，從而尋找出更加合理有效的支護方案及參數；④偽頂的形成速度總體應該比方案一慢，但應快于方案二，適合為礦井后期回采底部煤炭做技術準備。

缺點：由于合計綜放高度11 m，方案三產量約為方案二的2/3，工作面單產相對較低。但后期也可形成兩個綜采面開采，不但能夠滿足礦井達產要求，也避免了因單一工作面遇斷層構造等地質因素影響造成的生產困難。

綜上所述，方案三兼顧方案一和方案二的優點，相比方案一、方案二具有更好的抗沖擊能力，有利于礦井防沖的管理和工作面的正常回采，提高了巷道支護強度和巷道穩定性，有利于開展沖擊威脅的綜合防治和規律研究，是一種更為優化的采面層位布置形式。

4 結語

通過對陜西彬長集團孟村煤礦3種巷道層位布置方案的技術比較，最終采用方案三進行層位布置，將頂板支護選用的φ21.8 mm×7 100 mm錨索變更為φ21.8 mm×8 800 mm錨索。同時，上提巷道頂板層位，使錨索深入砂質泥巖頂板不少于1.0 m，保持巷道頂部支護跟隨煤層頂板施工。方案三更有利于抵抗沖擊地壓威脅，是一種更為安全、合理的采面層位布置形式，可以在此基礎上開展基于頂板對抗沖擊地壓的支護理論分析。