雙巷條帶式開采不規(guī)則區(qū)域煤炭資源方案設計

申斌學，朱 磊，張新福，古文哲，黃劍斌

(1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

不規(guī)則區(qū)域煤炭資源也稱“三角煤”，是礦井開采過程中受煤層賦存條件、礦井邊界、各種保護煤柱等影響而形成的煤炭資源邊界形狀不規(guī)則的區(qū)域。具有以下特點：形狀不規(guī)則，布置常規(guī)的綜采工作面難度相對較大；不規(guī)則區(qū)域通常較小，資源賦存量小；開采時礦山壓力顯現(xiàn)明顯，支護、回收難度大；有的區(qū)域賦存不穩(wěn)定，煤層厚度變化較大。正是因為不規(guī)則區(qū)域具有以上特點，所以在開采這些區(qū)域時，如果采用傳統(tǒng)的綜采方法，綜合機械化效果往往難以發(fā)揮，繼而導致煤炭采出率低，采煤成本增加，反而造成經(jīng)濟不合理。

隨著煤礦裝備技術(shù)的不斷升級，礦井生產(chǎn)能力日趨擴大，服務年限相對縮短，煤炭作為不可再生資源，這些年儲量一直在不斷的減少，其中很多礦區(qū)的資源面臨枯竭，因此對不規(guī)則區(qū)域煤炭資源開采越來越重視，如何科學合理的回收不規(guī)則區(qū)域的煤炭資源，對延長礦井服務年限、增加礦井經(jīng)濟效益有著重要意義[1-4]。

1 礦井概況

榆樹灣煤礦位于榆神礦區(qū)一期規(guī)劃區(qū)中部，是榆神礦區(qū)一期建設的重點煤礦，設計生產(chǎn)能力8.00Mt/a，2015年產(chǎn)能核增后新頒發(fā)的安全生產(chǎn)許可證證載能力為10.00Mt/a。礦井可采煤層中2-2、4-3全區(qū)可采，3-1、5-3上大部可采，為主要可采煤層。按可采煤層共劃分為四個水平，每個水平分為01和02兩個盤區(qū)，全井田共劃分為8個盤區(qū)。

礦井目前正在回采一水平201盤區(qū)2-2煤層的上分層，2-2煤層平均煤厚11.79m，采用“再生頂板”法上下分層開采。上下分層開采厚度均為5m。2-2煤層直接頂巖性為細粒砂巖、粉砂巖，厚度0～8.33m，屬2類中等穩(wěn)定頂板；基本頂厚度3.66～53.22m，初次來壓當量(970～1000kN/m2)屬Ⅲ級，即全區(qū)壓力顯現(xiàn)強烈；底板主要有泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖組成，允許底板單向抗壓強度25.95MPa，應屬Ⅳ類，即中硬底板。

2 受叢氣井影響開采面臨的問題

在榆樹灣煤礦井田范圍東部有中國石油長慶油田分公司第二采氣廠的“雙22-41叢氣井”，該叢氣井共包含8口定向氣井，井深范圍位于2785～3030m之間。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》的規(guī)定[5]，該叢井屬于Ⅰ類構(gòu)筑物，應當留設保護煤柱。采用垂直剖面法計算該從井的保護煤柱范圍，如圖1所示。

圖1 氣井保護煤柱垂直剖面

榆樹灣煤礦2-2煤層為近水平煤層，其氣井保護煤柱范圍可按水平煤層計算[6，7]，只需確定基巖走向移動角δ和松散層移動角α。則氣井保護煤柱范圍R=S+H1cotα+H2cotδ，Ⅰ類構(gòu)筑物圍護帶寬度S為20m，該叢氣井所在位置處2-2煤層實際埋深約為190m，其中松散層厚度H1為130m，基巖厚度H2為60m，據(jù)榆樹灣煤礦地表移動變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，平均基巖走向移動角δ為66°，松散層移動角α為45°，計算后的氣井保護煤柱范圍R為176.7m，在此基礎上與采氣廠協(xié)調(diào)后取R=200m。劃定保護煤柱后的該部分區(qū)域如圖2所示。

圖2 劃定保護煤柱后的不規(guī)則區(qū)域(m)

由圖2可知，受“雙22-41叢氣井”保護煤柱影響，榆樹灣煤礦20116和20118綜合機械化長壁開采工作面均無法穿越氣井保護煤柱直接開采，同時該部分區(qū)域受井田邊界保護煤柱影響，剩余可采區(qū)域形狀極不規(guī)則，此部分剩余區(qū)域2-2煤層可采儲量達2515550t，其中2-2煤上分層為1062310t，如圖2中陰影部分所示。為不浪費礦井資源，增加礦井服務年限，需要科學合理的方法回收此部分區(qū)域煤炭資源。

3 雙巷條帶式開采方法

3.1 采煤方法的選擇

針對不規(guī)則區(qū)域煤炭資源無法采用長壁開采方法回收的情況，常用的處理方式為短壁開采方法，代表性的有房式及房柱式采煤法、巷柱式采煤法、條帶式采煤法等，但都存在通風系統(tǒng)復雜、通風條件差、多頭串聯(lián)通風的問題，一般情況下適用于開采深度不太大的近水平中厚煤層、頂板中等穩(wěn)定、底板較平整、瓦斯含量小、煤層不易自燃的礦井[8-11]。

榆樹灣煤礦為低瓦斯礦井，其2-2煤層為Ⅰ類容易自燃煤層，因此傳統(tǒng)的短壁開采方法均不適應于榆樹灣煤礦不規(guī)則區(qū)域的開采。應當在開采過程中盡量減少已掘巷道的裸露時間，盡快形成全風壓通風系統(tǒng)；結(jié)合榆樹灣煤礦實際，確定采用連續(xù)采煤機雙巷條帶開采的方式回收不規(guī)則區(qū)域煤炭資源，礦井目前正在開采2-2煤層的上分層，下分層待上分層開采完畢后再進行開采，因此不規(guī)則區(qū)域內(nèi)開采設計只針對2-2煤層上分層。

3.2 雙巷條帶式開采方法

3.2.1 布置方式

雙巷條帶開采方法由工作面雙巷掘進方式演化而來，即采用連續(xù)采煤機雙巷循環(huán)掘進的方式在不規(guī)則區(qū)域內(nèi)進行開采，并在每組雙巷之間留設等寬的煤柱。其采用雙巷全負壓與局部通風相結(jié)合的通風系統(tǒng)，最大程度地減少局部通風巷道長度，掘進完成后巷道及時密閉以減少巷道裸露時間，適用于容易自燃煤層的開采[12-15]。雙巷條帶開采方法的布置方式如圖3所示。

圖3 雙巷條帶開采方法示意圖

由圖3可知，首先在井田的開拓大巷向待開采區(qū)域布置區(qū)段準備巷道，區(qū)段運輸巷負責煤炭運輸、輔助運輸兼進風，區(qū)段回風巷負責回風，采用連續(xù)采煤機雙巷交替的方式掘進，割煤與支護平行作業(yè)；在兩條巷道之間每隔40～60m掘進一條通風聯(lián)巷，以方便連續(xù)采煤機和支護設備就近調(diào)運。區(qū)段運輸巷和區(qū)段回風巷掘進至邊界位置后以通風聯(lián)巷貫通形成全風壓通風系統(tǒng)，區(qū)段準備巷道掘進完成后，從邊界位置向開拓大巷方向依次回采。

3.2.2 開采方法

回采時采用連續(xù)采煤機掘進01組雙巷條帶巷道，01組雙巷條帶分為主巷和副巷，同區(qū)段運輸巷和回風巷一樣采用雙巷循環(huán)交替的方式掘進，待掘進完成后撤出雙巷條帶內(nèi)所有機械、機電等設備，并建立密閉墻完成01組雙巷條帶的采后封閉，再依次掘進02組、03組、04組、05組、06組、……、n組雙巷條帶，直至到達設計的不規(guī)則區(qū)域邊界位置，主巷和副巷每隔40～60m掘進一條聯(lián)巷，方便連續(xù)采煤機、梭車等機械設備靈活調(diào)度。

3.2.3 運輸系統(tǒng)

以開采02組雙巷條帶時的情況闡述其運輸系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 02組雙巷條帶開采系統(tǒng)

1)運輸方式。雙巷條帶開采時，雙巷條帶內(nèi)煤炭運輸方式為連續(xù)采煤機、梭車、轉(zhuǎn)載破碎機、帶式輸送機。輔助運輸方式采用平板車或防爆無軌膠輪車。

2)運輸路線。輔助運輸：輔運大巷→區(qū)段運輸巷→02組主巷。煤炭運輸：02組副巷→02組主副巷間聯(lián)巷→02組主巷→區(qū)段運輸巷→運輸大巷。

3.2.4 通風系統(tǒng)

以開采02組雙巷條帶時的情況說明雙巷條帶開采法的通風優(yōu)勢，如圖4所示。

1)通風方式。在回采02組雙巷條帶時，通過構(gòu)建快速密閉的形式可實現(xiàn)雙巷條帶的巷道后路全負壓通風，僅兩條巷道的迎頭至聯(lián)巷約0～60m范圍內(nèi)采用局扇通風，通風方式合理有效，既可以實現(xiàn)全負壓通風開采，又具備兩個安全出口，是合法合規(guī)的高效開采方式。

2)通風路線。全負壓通風路線：輔運大巷(運輸大巷)→區(qū)段運輸巷→02組主巷→02組主副巷間聯(lián)巷→02組副巷→區(qū)段巷聯(lián)巷→區(qū)段回風巷→回風大巷。局扇通風路線：區(qū)段運輸巷(安裝局部通風機)→02組主巷(02組副巷)

4 榆樹灣煤礦不規(guī)則區(qū)域開采方案設計

4.1 布置方式

根據(jù)不規(guī)則區(qū)域的形狀特征以及20116工作面已經(jīng)圈定完成的實際情況，若回收不規(guī)則區(qū)域的煤炭資源，需先掘進20118工作面的回采巷道，之后再掘進不規(guī)則區(qū)域的區(qū)段運輸巷和區(qū)段回風巷；回采時先回收工作面切眼外側(cè)的不規(guī)則區(qū)域，再回采20118工作面。依據(jù)雙巷條帶式開采方法設計不規(guī)則區(qū)域的布置方式如圖5所示。

圖5 榆樹灣煤礦不規(guī)則區(qū)域雙巷條帶式布置方式

由圖5可見，該設計把開采區(qū)域分為兩部分：一部分是“雙22-41叢氣井”東南側(cè)的開采區(qū)域，這部分區(qū)域的雙巷條帶開采方向與20118工作面運輸巷方向垂直；另一部分是“雙22-41叢氣井”東北側(cè)的開采區(qū)域，這部分區(qū)域的雙巷條帶開采方向與區(qū)段運輸巷方向垂直。為便于陳述，把雙巷條帶從北向南依次進行編號，不規(guī)則區(qū)可劃分為31組雙巷條帶，每組條帶分為主巷和副巷，主巷在左側(cè)，副巷在右側(cè)，主、副巷之間間隔9m煤柱，01組雙巷條帶從不規(guī)則區(qū)區(qū)段運輸巷開口開始掘進，主、副巷交替掘進，距離主巷開口處50m后在主副巷之間掘進一條聯(lián)巷，聯(lián)巷長度為9m，與主巷夾角為90°，掘進至井田邊界保護煤柱位置后退出所有設備并封閉主、副巷，然后開始掘進02組條帶，02組條帶回采完畢后封閉主、副巷再掘進03組條帶。依次循環(huán)至31組條帶掘進完畢，每條聯(lián)巷之間均相隔50m。

4.2 巷道規(guī)格及支護參數(shù)

圖6 不規(guī)則區(qū)域區(qū)段運輸巷支護方式(mm)

因不規(guī)則區(qū)域區(qū)段運輸巷及區(qū)段回風巷為20118工作面運輸巷和回風巷的延伸，其巷道規(guī)格和支護參數(shù)參考礦井工作面巷道已有支護方式，支護形式如圖6所示。由圖6可見，區(qū)段巷道為矩形斷面，規(guī)格為5.7m×4.2m(寬×高)。巷道頂板采用?18mm×2000mm螺紋鋼錨桿，間排距900mm×1000mm；區(qū)段運輸巷雙巷條帶開口側(cè)幫部使用?20mm×2000mm玻璃鋼錨桿，區(qū)段回風巷兩巷幫部均采用?18mm×2000mm螺紋鋼錨桿，兩幫間排距均為1000mm×1000mm。雙巷條帶開采巷道功能用途與區(qū)段巷道相同，需要滿足連采機、梭車等設備的調(diào)車需求，因此設計斷面規(guī)格相同，支護方式區(qū)別為巷道兩幫幫部均采用?20mm×2000mm玻璃鋼錨桿，其他參數(shù)相同。

4.3 主要設備選型

不規(guī)則區(qū)域范圍小，新購買設備投資較高，設計考慮采用礦井目前現(xiàn)有的設備，區(qū)域內(nèi)的巷道割煤、裝煤、運煤及支護等生產(chǎn)工序選用連續(xù)采煤機及其后配套設備[16，17]。所需主要設備見表1。

表1 主要設備配備

4.4 頂板管理

在頂板完整、裂隙發(fā)育較少、地質(zhì)構(gòu)造簡單，正規(guī)循環(huán)作業(yè)循環(huán)進度為10m，掘進遇地質(zhì)構(gòu)造時，縮小循環(huán)進度，同時錨桿及時支護。每完成一個掘進作業(yè)循環(huán)后，將連續(xù)采煤機退出，并將錨桿機調(diào)入對新掘巷道頂、幫進行支護，頂部及幫部1、2根錨桿支護到位并緊跟掘進工作面，幫部3、4根錨桿滯后掘進工作面距離最多不得超過50m。巷道交岔點處用以加強支護的錨索同頂板錨桿、幫部1、2根錨桿一起及時支護。

4.5 回采工藝

在掘進的一個正規(guī)循環(huán)里，主要工序分為落煤、清煤、運煤與支護，其工序的實現(xiàn)離不開設備的支持，工序與設備的匹配關(guān)系如圖7所示。

圖7 回采工藝與設備流程

1)落煤：12CM15-10D型連續(xù)采煤機最大截割寬度為3.3m，不滿足巷道設計5.7m寬度的要求，在割煤時，先在所掘巷道的左側(cè)進刀，截割深度達循環(huán)深度要求后退出連續(xù)采煤機，此為切槽；連續(xù)采煤機再截割另一側(cè)循環(huán)深度的煤，此為采垛；采垛完成后即完成一個循環(huán)的落煤工序。

2)清煤：清煤工序分為兩步，分別在巷道支護前和支護后，其所使用的清煤設備也不同。在一個循環(huán)的落煤工序完成后，巷道支護前用連續(xù)采煤機清理一次浮煤以使巷道達到設計高度，在巷道支護完畢后再利用裝載機徹底清理巷道浮煤。

3)運煤：正常作業(yè)時，連續(xù)采煤機割煤、裝煤，梭車從煤機處將煤運送至轉(zhuǎn)載破碎機，再由帶式輸送機將煤運出掘進工作面至地面煤倉。

4)支護：待連采機掘完一個循環(huán)后，退出連采機，調(diào)入二臂錨桿機支護巷道頂部及幫部最上一、二根錨桿，同時液壓鉆機跟機支護巷道頂錨索及幫部其余錨桿，液壓錨桿鉆機必須與二臂錨桿機保持10m以上的安全距離，在雙巷條帶巷道開口后只需調(diào)入二臂錨桿機支護即可。

4.6 生產(chǎn)能力

雙巷條帶開采方案采用連續(xù)采煤機作業(yè)，參考榆樹灣煤礦其他工作面巷道雙巷掘進時的掘進速度，不規(guī)則區(qū)域內(nèi)31組條帶開采掘進速度按1400m/月，則其回采期間生產(chǎn)能力為：

Q=V雙掘×H×B×γ

式中，Q為雙巷條帶生產(chǎn)能力，t/月；V雙掘為雙巷掘進速度，取1400m/月；H為巷道高度，取4.2m；B為巷道寬度，取5.7m；γ為煤的容重，取1.32t/m3。

把數(shù)據(jù)帶入計算可得，不規(guī)則區(qū)域采用雙巷條帶開采方法的生產(chǎn)能力為4.5萬t/月。

5 結(jié) 論

1)采用雙巷條帶開采方案高效回收了榆樹灣煤礦20116、20118工作面切眼外側(cè)不規(guī)則區(qū)域的煤炭資源，提高了礦井煤炭資源回收率。實施該設計方法后在不規(guī)則區(qū)域共回收煤量433382t，按榆樹灣煤礦綜合當量煤價為291元/t(不含稅)計算，為礦井帶來收益12611.42萬元。

2)雙巷條帶式開采方法能夠解決形狀極不規(guī)則的三角煤區(qū)域煤炭資源高效開采問題，采用輕量化的連續(xù)采煤機雙巷開采，后方梭車、履帶式轉(zhuǎn)載破碎機配套運輸，掘進條帶聯(lián)巷，各設備機動靈活，機械化程度高，割煤和支護交替平行作業(yè)，極大地增加了不規(guī)則區(qū)域煤炭資源的開采效率；且其采用雙巷全負壓與局部通風相結(jié)合的通風系統(tǒng)，最大程度地減少局部通風巷道長度，掘進完成后巷道及時密閉充分減少巷道裸露時間，在使用連采機、梭車高效化掘進的礦井回收邊角煤資源時可積極推廣使用。