煤礦盤區內順序接替開采與跳躍式采煤生產布局的技術分析

李 海，李 川

（神東煤炭集團 安全監察局，內蒙古 鄂爾多斯017000）

煤礦采煤生產布局[1]是煤炭開采過程中的1項重要技術工作，煤礦生產布局的合理性直接影響煤礦開采效率、安全。近年來，隨著采掘作業的不斷深入，掘進巷道支護強度的加大、綜采工作面回采過程中鄰空巷道受二次采動應力疊加作用影響[2]、采空區防滅火等問題逐步凸顯出來，成為阻礙煤炭企業持續安全高效運行的主要因素。如何解決鄰空巷道受二次采動應力疊加作用、簡化礦井通風系統、降低礦井防滅火壓力也成為日后面對復雜條件下煤礦安全發展所面臨的主要問題。基于上述問題，從理論和實際2方面對盤區內順序接替開采生產布局[3]和跳躍式采煤生產布局進行了詳細的分析，系統性的總結了2種采煤生產布局方式的特點，為煤礦在復雜條件下安全采煤提供了參考依據。

1 盤區內順序接替開采生產布局

1.1 盤區內順序接替開采

盤區內順序接替開采生產布局是指在盤區內按照設計好的回采工作面接替進行回采。常見的布置方法是對采煤工作面布置3條巷道（即輔助運輸巷道、運輸巷道、回風巷道），采用“兩進一回”的通風方式，當該采煤工作面回采結束后，緊接著開采相鄰的采煤工作面，而該工作面的輔運巷道作為相鄰采煤工作面的回風巷道使用。

1.2 盤區內順序接替開采生產布局分析

隨著多數礦井水平的不斷延伸，開采進入深部區，地質條件逐漸變得復雜，所采煤層的埋深逐步加大，頂板破碎，礦壓顯現較明顯，盤區內順序接替開采生產布局在部分礦井逐步顯現出了一些弊端，對于煤礦的安全回采受到了一些影響和制約。

1.2.1 礦山壓力顯現

某礦大量數據表明，采煤工作面在回采過程中端頭礦壓顯現[4]比較強烈，但其頂板垮落的規律與回采工作面有所不同，工作面回采后所產生的支承壓力，在工作面前后方一定范圍內引起巷道較為劇烈的變形，而頂板下沉速度的峰值一般在工作面后方10 m左右。通過多年采空區地表塌陷坑測量及井下壓力監測數據的收集顯示，采煤工作面回采過程中支撐應力影響范圍在煤巷推進方向0～60 m左右、工作面兩側方向0～80 m左右，由于各礦上覆巖層構造不同故波及范圍有一定的變化。由此可見，回采過程中留有充足的支撐應力重新平衡穩定時間，有效避開二次采動應力疊加對于礦井安全回采的意義所在。盤區內順序接替開采跳采示意圖如圖1。

圖1 盤區內順序接替開采跳采示意圖Fig.1 Schematic diagram of skip mining of sequential replacement mining in panel area

盤區內順序接替開采生產布局導致采煤工作面回采結束后沒有留有充足的支撐應力重新平衡穩定時間，原有的支撐應力沒有充分釋放，緊接著掘進或開采相鄰的工作面，受二次采動影響的支撐應力[5-6]將疊加在鄰空巷道和隔離煤柱上，在掘進、回采期間不同程度的出現頂板下沉、底鼓、煤壁片幫等礦壓明顯顯現的現象，給掘進、采煤期間的安全管理增加了難度。據統計，多數礦井的采煤工作面受二次采動影響不同程度的出現了回風巷（即鄰空巷道）頂板離層、副幫片幫等現象，更有甚者出現鄰空巷道錨桿、錨索彈出的動力現象。

同時，受二次采動支撐應力疊加現象的影響，對于采煤工作面液壓支架及超前支架的工作阻力需求越來越大。據了解，多數礦井不同程度上較過去液壓支架的工作阻力提高了很多，超前支架的工作阻力也在不斷加大。

1.2.2 通風系統

由于盤區內順序接替開采生產布局和接續計劃的需求，礦井在掘進煤巷時需要采用連采機雙巷掘進或2套掘錨機雙巷掘進工藝，常規掘進時每隔50 m施工1個聯巷，以確保實現全風壓通風系統，根據掘進速度還要打設臨時閉墻及時封閉聯巷[7]，以免造成風流不穩定現象；在采煤工作面回采過程中，還需要專門的人員在聯巷施工一般防火密閉，以及后續的通風設施管理、檢查、維護等工作，再加上準備巷道的增多，無疑對于礦井在通風系統優化、局部通風系統管理及通風設施管理方面均增加了難度。

1.2.3 隱患管理

由于盤區內順序接替開采生產布局沒有留有充足的采空區頂板垮落、支撐應力重新平衡穩定的時間，在相鄰工作面回采過程中面臨著回風隅角有害氣體體積分數超標、氧氣體積分數低以及頂板懸頂面積大（尤其是過聯巷時）等隱患[8-9]；甚至有的礦井在鄰空巷道側距采煤工作面提前2～3個聯巷已出現有害氣體超標的問題，根本原因還是由于聯巷密閉不足以承受二次采動應力疊加，閉墻壓裂、“跑風漏氣”，導致采空區有害氣體涌出。據統計，上述隱患無論從涉及范圍還是治理難度方面均呈逐步加大趨勢。

2 跳躍式采煤生產布局

2.1 跳躍式采煤生產布局

跳躍式采煤（以下簡稱“跳采”）生產布局是指改變盤區內回采工作面的布置、開采順序，跳躍式的進行回采，以便于最大限度的給于封閉工作面充足的支撐應力重新平衡穩定時間，將對鄰空巷道和隔離煤柱所受到的壓力充分釋放，避免相鄰工作面回采時受二次采動應力疊加影響對鄰空巷道的破壞，確保相鄰工作面安全回采。

按照礦井產量和采掘接續計劃的要求布置多個盤區，各盤區內布置1個采煤工作面，待盤區內某個工作面回采結束后搬至其他盤區進行回采，當該盤區封閉工作面支撐應力重新平衡穩定后，再掘進該盤區與封閉工作面相鄰采煤工作面的巷道，以此不斷跳采，實現分區布置、分區掘進、分區開采。盤區間跳采示意圖如圖2。

圖2 盤區間跳采示意圖Fig.2 Schematic diagram of skip mining between panels

如果礦井布置多盤區困難時，也可在1個盤區內實行采煤工作面跳采，具體盤區內跳采分為2種方式：從盤區的兩翼向中間依次進行跳采（圖3），和從盤區的中間向兩翼依次進行跳采（圖4）。總之，要留有充足的支撐應力重新平衡穩定時間，避免鄰空巷道受二次采動應力疊加的影響。

圖3 盤區內跳采示意圖（兩翼向中間）Fig.3 Schematic diagram of skip mining in the panel 1

2.2 跳躍式采煤生產布局的優勢

2.2.1 礦山壓力顯現

圖4 盤區內跳采示意圖（中間向兩翼）Fig.4 Schematic diagram of skip mining in the panel 2

跳采生產布局在采煤工作面回采結束后，留有充足時間使支撐應力重新平衡穩定，將對鄰空巷道和隔離煤柱所受到的壓力充分釋放，在掘進相鄰工作面煤巷或開采相鄰工作面時，能夠有效的避開二次采動應力疊加對鄰空巷道的影響，最大限度的減小鄰空巷道及保護煤柱的受力狀態，為相鄰采煤工作面的安全回采提供保障。

從部分礦井采掘接續看，其實有些礦井在采煤工作面布置方面由于特殊原因存在極少數的間接跳采行為，而通過訪談這些礦井的各級管理人員、現場作業人員及收集礦壓數據發現，鄰空巷道放置一定時間后，在回采相鄰工作面過程中壓力顯現明顯變弱。

2.2.2 掘進工藝

跳采生產布局將打破原有的采煤工作面煤巷巷道布置方式，由原來的3條煤巷（即輔運巷、運輸巷、回風巷）變為2條（即運輸巷、回風巷），由原來的連采機雙巷掘進或2套掘錨機雙巷掘進工藝改變為單套掘錨機單巷掘進工藝，由原來掘進時常規每隔50 m施工1個聯巷改變為按照現場實際需求每隔200 m施工1個調車硐室即可，節省無用巷道，提升有效巷道掘進量，同時單巷掘進工藝相比雙巷掘進工藝，在各施工系統組織方面更加簡單、安全。

2.2.3 通風系統

跳采生產布局致使掘進工藝的改變，將全面取消雙巷掘進過程中常規每50 m施工的聯巷，取而代之的是單巷掘進過程中常規每200 m施工的調車硐室，而聯巷間施工的臨時閉墻以及后續施工的一般防火密閉也將不復存在，這樣無論是在礦井安全管理的角度還是礦井通風系統優化[10-11]、通風設施管理方面都將是一次有效的提升。

2.2.4 隱患管理

跳采生產布局的應用將回采過程中的一般防火密閉全部由實體煤柱替代，無論從抗壓強度還是安全可靠方面均得到整體提升，而原有的“一般防火密閉施工質量差、閉墻壓裂、“跑風漏氣等隱患”將從源頭上得到根除，有效推動礦井防滅火工作。

相鄰工作面回采過程中回風隅角的有害氣體多數是從鄰近采空區而來（存在上覆采空區的除外），而短時間內整體壓裂隔離煤柱的情況很少，多數是由于聯巷間的一般防火密閉承受不住支撐應力疊加而發生垮塌，導通相鄰采空區，有害氣體涌出。跳采生產布局一方面留有充足的支撐應力重新平衡穩定時間，封閉工作面的頂板將會進一步垮落、塌實，另一方面一般防火密閉全部由15 m厚的實體煤柱替代，那么相鄰工作面進行回采時回風隅角有害氣體[12]、上下煤巷采空區懸頂面積大[13-14]（尤其是過聯巷時）等隱患將得到有效緩解，為作業人員的安全提供保障。

3 跳躍式采煤生產布局面臨的問題及措施

3.1 單巷掘進過程中面臨長距離供風

當采用跳采生產布局時，進風巷與回風巷均采用單巷掘進工藝，局部通風機進行長距離供風[15-17]存在困難。

解決措施：給礦井配置大功率的局部通風機，以滿足長距離掘進局部通風的需求；進風巷與回風巷同時掘進，在煤巷總長度施工到一半時進行貫通（即施工工作面腰巷），形成全風壓通風系統，然后將局部通風機進行前移，之后繼續掘進進風巷與回風巷。

3.2 單巷掘進過程中的運輸問題

由于煤巷掘進均采用單巷掘進工藝，在掘進過程中要在運輸巷行車運人、運料。

解決措施：在巷道設計時適當放寬巷道寬度，巷道行車過程中實行“人員、車輛錯開通過”的原則即可。目前一些礦井在使用掘錨、綜掘機時并沒有暴露出運輸的問題，因此單巷掘進過程中的運輸問題已然解決。

3.3 形成的孤島工作面安全回采

通過對部分孤島工作面礦壓觀測數據統計分析[18-19]，并與現場管理人員交流得出以下規律：孤島工作面開采期間初次來壓步距和周期來壓步距較之前工作面縮短，周期來壓不同步，工作面中部區域先來壓，兩端區域后來壓，但來壓的持續距離大致相等，工作面中部周期來壓顯現明顯，兩端頭周期來壓顯現較中部小；孤島工作面來壓期間工作面頂板漏冒現象比較嚴重，尤其是中部；孤島工作面開采期間周期來壓步距及強度均與工作面埋深、上覆基巖厚度、采高、工作面設計寬度、推進速度、地表狀況等因素有關。

3.3.1 應對措施

1）回采前收集孤島工作面上覆基巖巖性、厚度及松散層厚度的準確數據，充分掌握孤島工作面地表溝谷、高山詳細情況；在生產布局時要充分考慮孤島工作面的設計寬度、并通過頂底板巖層強度選擇有富裕系數的工作阻力液壓支架。

2）回采期間加大頂板、兩煤巷的礦壓觀測并詳細記錄，準確地摸清工作面周期來壓規律和來壓期間工作面各個地段的壓力數值，便于提前實施針對性的應對措施。

3）回采期間加大機電設備的檢修力度，保證機電設備完好運轉的連續性，防止因設備故障而發生意外事故。

4）回采來壓期間要加快推進速度（“甩掉”壓力），及時跟機拉超前架，防止出現漏冒型頂板事故和“壓死”支架的現象出現；同時要及時打出護幫板并緊貼煤壁，防止片幫煤傷人。

5）針對回采孤島工作面期間可能產生的危險情況和事故要提前考慮周全，制定有針對性的安全技術措施[20]，一旦出現情況及時實施，盡量將事故和損失降到最小。

3.3.2 塌陷角管理

通過對礦井采煤工作面回采結束后地表塌陷情況分析，并采用GPS手持式導航儀對采煤工作面巷道和地表塌陷邊緣進行精準定位發現：采煤工作面回采結束后，由于煤層頂板巖性和煤層埋深的不同，地表塌陷范圍沿采煤工作面兩煤巷向外巖層呈α（α=75°～80°）角度擴散塌陷，松散層呈θ（θ=45°）角度擴散塌陷，也就是說地表塌陷面積要比采煤工作面面積大。孤島工作面塌陷示意圖如圖5。

圖5 綜采工作面塌陷示意圖Fig.5 Collapse diagram of fully mechanized working face

因此，從塌陷角原理可以看出，當采用跳躍式采煤生產布局形成孤島工作面后，留有充足時間使支撐應力重新平衡穩定，使鄰空巷道和隔離煤柱所受到的壓力充分釋放，理論上講，在開采孤島工作面時將會比開采之前工作面頂板受壓狀態小，兩煤巷礦壓顯現相對變弱，也就是說只要留有充足的時間，孤島工作面上覆頂板所承受的重力隨著上覆巖層的充分塌陷和采空區應力的重新平衡而減少，在礦壓方面所承擔的風險也會變小。孤島工作面塌陷示意圖如圖6。

圖6 孤島工作面塌陷示意圖Fig.6 Collapse of isolated island working face

同時，跳躍式采煤生產布局將聯巷間的一般防火密閉全部由實體煤柱替代，抗壓強度整體提升，孤島工作面開采所面臨“一通三防”方面的高風險因素將全部得到有效的解決。

4結語

在面對復雜地質條件時，選擇合理的采煤生產布局對于煤礦安全發展至關重要。通過對上述2種生產布局方式全面的、系統的比對發現，跳躍式采煤生產布局在減弱礦山壓力顯現、簡化掘進工藝、優化通風系統、降低隱患治理難度等方面存在的優勢是顯而易見的，相比于解決跳躍式采煤生產布局實施所帶來的一些問題則要相對簡單的多。因此，跳躍式采煤生產布局在應對深部復雜區域采煤所帶來的安全和效益更加直接、明顯，也是一種適合于在深部復雜區域采煤的有效技術手段。