宋成義

(永城煤電控股集團(tuán)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(jī)車運輸[2]。礦井現(xiàn)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(xiàn)開采水平為-600 m水平。采區(qū)設(shè)有專用回風(fēng)巷，采用分區(qū)通風(fēng)方式。

陳四樓煤礦于1997年建成投產(chǎn)，目前已開采近20 a，隨著礦井連續(xù)多年高位運行，開采深度日益增加，生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)節(jié)漸多，井下水文地質(zhì)條件日益復(fù)雜，采場生產(chǎn)能力逐漸降低，導(dǎo)致礦井采掘接替緊張。二十采區(qū)為準(zhǔn)備采區(qū)，3條下山設(shè)計落底水平為-703 m水平，目前二十采區(qū)膠帶下山及軌道下山均已落底至設(shè)計水平并通過聯(lián)絡(luò)巷溝通。根據(jù)原二十采區(qū)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(qū)，即二十采區(qū)膠帶巷、二十采區(qū)軌道巷及二十采區(qū)回風(fēng)巷，分別用于膠帶運輸、軌道運輸及采區(qū)回風(fēng)。3條水平集中巷設(shè)計長度總計約1 800 m，剩余準(zhǔn)備巷道工程量大，無法滿足采掘接替需要，如何優(yōu)化開拓準(zhǔn)備巷道布局，盡快形成二十采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)成為緩解該礦井下采掘接替緊張的關(guān)鍵性問題。

1 工程概況

二十采區(qū)位于陳四樓煤礦北翼，東至北風(fēng)井保護(hù)煤柱，南至F13正斷層及八采區(qū)邊界，西至二2煤層可采邊界，北至F18正斷層。該采區(qū)走向長 863 m，傾向長1 983 m，面積134.16萬m2，二2煤上限標(biāo)高為-670 m，下限標(biāo)高為-745 m，地面標(biāo)高為34.68～35.24 m。二十采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，整體上是由F18斷層和F13斷層形成的地塹構(gòu)造，區(qū)內(nèi)西部發(fā)育有軸跡NE—NW向的高六灣向斜構(gòu)造，地層傾角為3°～17°，平均為8°。該區(qū)斷裂構(gòu)造共發(fā)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(fā)育。區(qū)內(nèi)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(qū)二2煤層直接頂板的巖性多為泥巖或砂質(zhì)泥巖，厚達(dá)0.71～7.93m，平均為4.38 m，整體發(fā)育穩(wěn)定，北部局部直接頂不發(fā)育，基本頂巖性為細(xì)砂巖，直接底巖性為泥巖，局部泥巖不發(fā)育，煤層直接底板巖性為粉細(xì)砂巖或砂質(zhì)泥巖(1109鉆孔)。

2 采區(qū)準(zhǔn)備巷道優(yōu)化方案

二十采區(qū)為下山采區(qū)，布置有3條下山用于膠帶運輸、軌道運輸及采區(qū)回風(fēng)[4-7]。本研究結(jié)合該采區(qū)原設(shè)計方案，為縮短采區(qū)準(zhǔn)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(qū)3條下山落底處布置二十采區(qū)膠帶巷、軌道巷及回風(fēng)巷，3條集中巷位于二2煤層頂板6～20 m厚的細(xì)砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖層位，巷道水平間距30 m，在采區(qū)北翼邊界(F18斷層保護(hù)煤柱)處通過末端聯(lián)絡(luò)巷相連，建立采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)(圖1)。二十采區(qū)膠帶巷在二十采區(qū)膠帶下山下平巷內(nèi)開口施工，底板標(biāo)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(lián)絡(luò)巷，用于采區(qū)膠帶運輸、進(jìn)風(fēng)及行人。二十采區(qū)軌道巷在二十采區(qū)軌道下山底車場內(nèi)開口施工，底板標(biāo)高-710 m，巷道開口沿3°方位、4‰上山施工640 m至末端聯(lián)絡(luò)巷，用于采區(qū)軌道運輸、進(jìn)風(fēng)、行人及排水。二十采區(qū)回風(fēng)巷在二十采區(qū)回風(fēng)下山下平巷內(nèi)開口施工，底板標(biāo)高-703 m，巷道開口沿3°方位、4‰上山施工670 m至末端聯(lián)絡(luò)巷，用于采區(qū)回風(fēng)。

2.2 2條水平集中巷布置方案

在二十采區(qū)3條下山落底處布置二十采區(qū)運輸巷、回風(fēng)巷，2條集中巷位于二2煤層頂板6～20 m厚的細(xì)砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖層位[8]，水平間距30 m，在采區(qū)北翼邊界(F18斷層保護(hù)煤柱)處通過末端聯(lián)絡(luò)巷相連，建立采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)(圖2)[9]。二十采區(qū)運輸巷在二十采區(qū)膠帶下山下平巷內(nèi)開口，底板標(biāo)高-703 m，巷道開口沿3°方位、4‰上山施工610 m至末端聯(lián)絡(luò)巷，用于采區(qū)膠帶運輸、軌道運輸、進(jìn)風(fēng)、行人及排水。二十采區(qū)回風(fēng)巷在二十采區(qū)回風(fēng)下山下平巷內(nèi)開口，底板標(biāo)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(lián)絡(luò)巷，用于采區(qū)回風(fēng)。

該方案的優(yōu)點為：①有助于減少二十采區(qū)準(zhǔn)備期間的巖巷工程量，使得采區(qū)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(jié)省巖巷工程量約640 m，按照巖巷70 m/月的單進(jìn)水平計算，可提前4.6個月形成二十采區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)；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(jìn)行計算，可節(jié)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(jìn)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(hù)煤柱寬度較3條集中巷布置方案減少30 m，占壓保護(hù)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(jìn)行計算)，有利于后期回收大巷保護(hù)煤柱；④減少二十采區(qū)準(zhǔn)備巷道后期維修工程量，延長巷道服務(wù)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(qū)準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)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(jìn)進(jìn)尺，而且不利于巷道支護(hù)穩(wěn)定[11]；②軌道與膠帶位于同一條巷道內(nèi)，不利于設(shè)備的維護(hù)與管理，不利于軌道運輸安全。

經(jīng)過綜合分析可知，2條集中巷布置方案優(yōu)于3條集中巷布置方案，且通風(fēng)、運輸、排水等永久生產(chǎn)系統(tǒng)相對經(jīng)濟(jì)合理，故而本研究選用該方案對陳四樓煤礦二十采區(qū)準(zhǔn)備巷道進(jìn)行布置。

3 巷道斷面支護(hù)設(shè)計

二十采區(qū)3條下山落底后，布置采區(qū)水平集中巷貫穿整個采區(qū)，水平集中巷位于二2煤層頂板約6～20 m厚的細(xì)砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖層位。類比該礦其他采區(qū)開拓準(zhǔn)備巷道斷面設(shè)計，并結(jié)合二十采區(qū)煤巖層賦存條件，本研究選用承載能力較強(qiáng)的直墻半圓拱斷面[12]，巷道斷面規(guī)格根據(jù)采區(qū)通風(fēng)、運輸、行人、排水、管線布置及檢修等需要進(jìn)行設(shè)計，二十采區(qū)回風(fēng)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(qū)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(jié)合巷道地質(zhì)資料，設(shè)計采用錨網(wǎng)噴+錨索的支護(hù)方式。

3.1 錨網(wǎng)噴支護(hù)

巷道頂部采用φ20 mm×2 200 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，兩幫采用φ18 mm×2 200 mm左旋螺紋鋼高強(qiáng)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(qiáng)錨桿，材質(zhì)為左旋螺紋鋼，屈服強(qiáng)度不小于335 MPa，抗拉強(qiáng)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(qiáng)度等級為C20，配合比(質(zhì)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(xì)度模數(shù)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(biāo)號為782-3，摻入量為水泥質(zhì)量的2%～5%，噴拱部時取上限，淋水區(qū)可酌情加大摻入量；每次噴漿時須預(yù)留100 mm網(wǎng)邊，便于金屬網(wǎng)間搭接。

3.2 錨索加強(qiáng)支護(hù)

選用單錨索或錨索梁對巷道頂幫進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，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(hù)

根據(jù)巷道斷面確定棚梁及連接板數(shù)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(zhǔn)。全斷面注漿充填裂隙，對巷道輪廓線以外2 m范圍內(nèi)進(jìn)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(shè)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(zhì)量(確保探眼內(nèi)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(dǎo)致二十采區(qū)軌道下山底車場存車線距離縮短，尤其是二十采區(qū)水倉清理期間，因存車空間有限將增加運輸環(huán)節(jié)及倒運次數(shù)，從而降低運輸效率，進(jìn)而影響正常采掘期間生產(chǎn)車輛供應(yīng)。通過繞道車場優(yōu)化設(shè)計，繞道車場內(nèi)鋪設(shè)雙道，既有效解決了存車線短的問題，又起到溝通二十采區(qū)軌道下山與二十采區(qū)膠帶下山通風(fēng)系統(tǒng)的作用，減少了聯(lián)絡(luò)巷工程量。

(2)二十采區(qū)運輸巷采用“機(jī)軌合一”的布置方式，考慮到集中巷層位、地質(zhì)構(gòu)造及服務(wù)年限，為保證巷道支護(hù)強(qiáng)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(shè)，間接增加了運輸難度。通過適當(dāng)增加各工作面車場巷道斷面規(guī)格及長度，在工作面車場內(nèi)鋪設(shè)雙道形成臨時車場的方式，便于車輛調(diào)運及臨時存放，可有效解決二十采區(qū)運輸巷內(nèi)無存車場的難題。

(3)二十采區(qū)為雙翼開采，該采區(qū)運輸巷內(nèi)軌道運輸布置于巷道中心西側(cè)，膠帶運輸布置于巷道中心東側(cè)，為避免出現(xiàn)膠帶跨越軌道的現(xiàn)象，集中巷西翼工作面煤流采用溜煤眼與二十采區(qū)運輸巷內(nèi)膠帶輸送機(jī)相連，集中巷東翼工作面軌道采用逆向繞車場與二十采區(qū)運輸巷內(nèi)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(chǎn)需要，另通過溜煤眼的設(shè)計，可減少巷道工程量，并且有利于順槽掘進(jìn)期間合理控風(fēng)。

5 結(jié) 語

對陳四樓煤礦二十采區(qū)準(zhǔn)備巷道布置方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對巷道斷面型式及支護(hù)工藝進(jìn)行了討論。方案的成功實施，既減少了采區(qū)準(zhǔn)備工程量，降低了前期成本投入，又縮短了采區(qū)準(zhǔn)備工期，緩解了采掘接替緊張現(xiàn)狀，可供類似礦山參考。

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