東曲礦28206 工作面底板抽放巷的優化設計研究

李偉煒

（山西西山礦業管理有限責任公司，山西 太原 030053）

0 引言

隨著國家對煤礦防突工作的不斷加強，針對突出礦井，一般采用底板抽放巷對工作面實行區域預測和區域防突措施的執行。由于煤巷掘進工作面主要采取順層鉆孔預抽煤巷條帶區域防突措施，順層鉆孔存在抽采濃度衰減速度快、抽采效果不理想等缺點，特別是在貫通巷道剩余60 m 的貫通范圍內，存在瓦斯壓力、地應力非常集中的問題，導致順層鉆孔施工非常困難，施工周期長。為消除工作面突出危險性，確保巷道安全貫通，不得不采取新的消突技術措施[1]。本文以東曲礦28206 上底抽巷為例，對底抽巷設計優化方向進行探討研究。

1 礦井概況

東曲礦位于山西省古交東南，井田面積為57.9km2，年設計生產能力為400 萬t，主要可采煤層為山西組2 號、4 號煤和太原組8 號、9 號煤。28206 工作面可采走向長690 m，上底抽巷設計工程量628 m。底抽巷層位布置在距煤層10～15 m 位置較為穩定的巖層中。巷道采用錨網噴支護，錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距均為800 mm，噴厚50～100 mm。采用直墻半圓拱斷面，凈寬4.2 m，凈高3.5 m，凈斷面面積12.8 m2。

2 底抽巷優化方向選定

2.1 工作面施工工期的選擇

工作面施工工期的長短直接影響礦井生產是否高效。28206 工作面的施工總工期（t）可分解為車場施工工期（t1）、底抽巷施工工期（t2）、防突措施工期（t3）、煤巷施工工期（t4）共4 個部分，用公式表達為：

式中：t0為各工序間的平行作業時間。因為各工序間存在互為基礎等原因（即沒有車場無法施工底抽巷和煤巷、防突措施未完成無法施工煤巷、防突措施需要在底抽巷內施工），通過分析可知，增加底抽巷施工時間與防突措施間的平行作業時間將會大大縮短總工期。

2.2 底抽巷層位的選擇

通過選擇底抽巷層位可以縮小鉆孔工程量。鉆孔工程量的大小應根據煤厚等地質情況確定，因為是在底抽巷內施工，因此底抽巷距煤層間距將直接影響到巖孔的施工長度。縮小巖孔施工長度可明顯提高鉆孔利用率、減少鉆孔施工時間，進而縮短防突措施時間。

3 優化內容

3.1 巷道功能優化

要保證巷道功能最優化要盡量實現一巷多用。28206 上底抽巷設計功能為通過底抽巷探查工作面瓦斯含量和瓦斯壓力，并執行區域防突措施。根據工作面情況及巷道施工位置，通過增加底抽巷內少量工程可額外實現如下功能：超前探查工作面地質情況，為工作面回采巷道布置和工作面回采打好基礎；通過底抽巷對工作面進行底板注漿加固等防治水工程。需增加工程內容僅為在底抽巷口建立排水陣地，增加的工程量較小，卻可大大提高工作面的抗突水災害能力。

3.2 巷道布置相關選擇

巷道布置主要對層位選擇、支護類型、巷道位置等情況進行綜合考慮，從而選定最優方案。

考慮到巷道的主要功能，應將底抽巷布置在工作面附近。除考慮底抽巷整個工作面的防突工作外，還應盡量考慮掘進期間防突問題，因此可將底抽巷位置布置在偏向順槽位置。

底抽巷層位選擇在穩定巖層中。原設計方案：28206 工作面開采煤層為二1 煤層，煤層下方穩定巖層為L7 灰巖，煤層平均厚度為14 m，巖層平均厚度為7 m，灰巖本身普式硬度系數為6～10，強度較高。因此選定層位為L7 灰巖上部將有利于巷道的穩定，減小支護難度，但距離煤層較遠，局部可達到17 m，不利于消突鉆孔施工。優化設計方案：將巷道布置在L8 灰巖下部，巷道直接頂為L8 灰巖，平均厚度為2 m，且裂隙發育較完全，因此需采取適當的支護措施。

巷道位置優化后的優點：巷道掘進期間頂板控制難度降低，可充分利用圍巖自身強度，通過支護理論計算適當降低支護強度，進而節約材料成本、人工成本及縮短施工時間；當巷道頂板為L8 灰巖時，巷道內約有1.5 m 左右的泥巖，巷道下部為L7 灰巖。因泥巖硬度系數低于灰巖，因此可節約掘進工具使用量，減少工具損耗，進一步降低巷道掘進成本，減少后期維護工作。巷道位置優化后缺點：不利于巷幫控制，易造成巷道斷面受壓變小等現象；防止誤揭煤層。

根據上述優化條件需進一步優化巷道斷面。為充分利用圍巖穩定性，如仍采用半圓拱支護，勢必在巷道拱形部分存在泥巖巷頂，因泥巖與灰巖膠結性差，易造成巷道頂板不穩定，因此將巷道斷面由半圓拱形式優化為梯形形式的巖層布置，這將有利于主動支護。

噴漿厚度根據優化后的斷面進行調整。考慮底抽巷使用周期較短，原設計噴砼覆蓋巷道可修改為噴厚以覆蓋鋼筋網為準，且不再對下部L8 灰巖部分噴漿，直接利用圍巖自身性能控制巷道變形。

3.3 縮短工期舉措

為縮短掘進工期，增加了掘進與防突鉆孔施工的平行作業。因掘進期間必須進行超前地質鉆探，控制前方地質情況，每次掘進60 m 大概需打鉆3 d，全巷道預計影響時間為30 d。為解決這個問題采取的措施為在巷道附近開設鉆場打鉆，在預留足夠超前距的情況下，在鉆場內打鉆不影響迎頭掘進，此舉可將28206上底抽巷施工時間縮短1 個月，預計施工9 個鉆場。

原設計防突措施孔施工在底抽巷內，需將巷道施工完畢后才能施工，考慮掘進期間將要施工的鉆場，可在鉆場內施工穿層鉆孔。如果在鉆場內施工超前鉆孔，則會使底抽巷斷面進一步縮小，縮小斷面將有利于提高掘進速度、減少工程成本。

優化斷面后，如果僅依靠超前鉆探所需鉆場，將人為增加防突鉆孔巖孔施工量。為減小巖孔施工量需增加鉆場數量，經過模型模擬及現場實驗，最終將鉆場間距確定為30 m，規格優化后的鉆場尺寸為4 m×3.5 m×4 m（寬×高×深），滿足打鉆需求。

影響巷道掘進速度的重要因素還有出碴時間。因利用主煤流系統出碴可大大提高出碴速度，但需要保證煤與矸石分裝分運；由于工人操作水平不統一、現場地質條件多變等因素，很難保證掘進頭出碴時間與主煤流允許出碴時間相一致。為解決此矛盾，在底抽巷內增設平碴倉，平碴倉尺寸為25 m×2 m×1.5 m（長×寬×深），設計容量75 m3，可至少滿足一班的矸石存放量，通過主煤流系統運送至平地。

4 穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區域防突措施

底板抽放巷內錯于被掩護煤巷平距10 m，法線距離10～15 m，掘進過程中在底板抽放巷鉆場內施工鉆孔。鉆孔開孔間距400 mm，孔底間距（沿煤層面）10 m，控制掘進巷道煤層走向、傾向各15 m（緩傾斜或近水平煤層）范圍。底板抽放巷掘進結束后，在巷幫每隔6 m 處再次施工強化抽采鉆孔。穿層鉆孔施工期間采取水力沖孔增透措施。高壓（大于25 MPa）水從鉆頭上的出水口噴射而出，沖擊鉆頭周圍的煤體，配合鉆機的鉆進，破碎煤體。在底板抽放巷穿層鉆孔大面積預抽基礎上采取水力沖孔增透技術，延長了鉆孔衰減周期，提高了抽放濃度及抽放量。在28206 中順槽剩余63 m 貫通范圍內采取穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯區域防突措施，在28206 上底板抽放巷內施工穿層鉆孔114 個，增透卸壓鉆孔44 個，塊段卸煤量為525 t、卸煤率為10.6‰、每米煤孔卸煤量0.16 t/m。累計抽采瓦斯量14.54 萬m3，抽采率為48.62%，煤層殘余瓦斯含量最高為4.98 m3/t。

5 優化前后效益分析

1）通過對比計算，巷道直接成本減少386 元/m，同時，每30 m 需新增1 個鉆場，折合材料費用193 元/m，實際節約巷道材料費用193 元/m。

2）根據目前掘進水平，底抽巷原施工速度90m/月，優化后實現120 m/月，可減少施工工期1.75 個月。施工此巷道的工程隊伍單日平均出勤為52 人，據此計算本條巷道共計可節約工數2548 工，平均工值為232 元。可節約人工成本232 元/工×2 548 工=59.1 萬元，折合成本941 元/m。

3）在上底抽巷內施工防突措施鉆孔可平均減少鉆孔長度15 m，在28206 上底抽巷內預計需施工探測鉆孔80 個、卸壓鉆孔150 個，根據順層鉆孔單價100 元/m、穿層鉆孔單價150 元/m、卸煤量400 元/t。鉆孔預計可節約資金51.75 萬元，折合824 元/m。

4）經以上分析計算得出，優化設計后施工底抽巷可節約成本：193 元/m+941 元/m+824 元/m=1 958 元/m。同時縮短巷道施工工期可有效解決礦井采掘接替緊張局面，同時可有效防止小斷面圍巖變形嚴重問題，降低維修成本。

6 結語

對工程設計階段進行優化能夠大幅度提高工程效率、減少施工時間、降低施工成本。在底抽巷設計階段，能夠通過設計內容為后期施工及應用提供便利，能夠實現較大的直接效益和社會效益。通過對底抽巷設計優化在實際中的應用情況進行分析，提出了設計優化方向，并在實際應用中取得了顯著的效益。