申斌學(xué)，朱 磊，張新福，古文哲，黃劍斌

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)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(kāi)采過(guò)程中受煤層賦存條件、礦井邊界、各種保護(hù)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(diǎn)：形狀不規(guī)則，布置常規(guī)的綜采工作面難度相對(duì)較大；不規(guī)則區(qū)域通常較小，資源賦存量??；開(kāi)采時(shí)礦山壓力顯現(xiàn)明顯，支護(hù)、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?yàn)椴灰?guī)則區(qū)域具有以上特點(diǎn)，所以在開(kāi)采這些區(qū)域時(shí)，如果采用傳統(tǒng)的綜采方法，綜合機(jī)械化效果往往難以發(fā)揮，繼而導(dǎo)致煤炭采出率低，采煤成本增加，反而造成經(jīng)濟(jì)不合理。

隨著煤礦裝備技術(shù)的不斷升級(jí)，礦井生產(chǎn)能力日趨擴(kuò)大，服務(wù)年限相對(duì)縮短，煤炭作為不可再生資源，這些年儲(chǔ)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(duì)不規(guī)則區(qū)域煤炭資源開(kāi)采越來(lái)越重視，如何科學(xué)合理的回收不規(guī)則區(qū)域的煤炭資源，對(duì)延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限、增加礦井經(jīng)濟(jì)效益有著重要意義[1-4]。

1 礦井概況

榆樹(shù)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(shè)的重點(diǎn)煤礦，設(shè)計(jì)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(gè)水平，每個(gè)水平分為01和02兩個(gè)盤(pán)區(qū)，全井田共劃分為8個(gè)盤(pán)區(qū)。

礦井目前正在回采一水平201盤(pán)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(kāi)采。上下分層開(kāi)采厚度均為5m。2-2煤層直接頂巖性為細(xì)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(lái)壓當(dāng)量(970～1000kN/m2)屬Ⅲ級(jí)，即全區(qū)壓力顯現(xiàn)強(qiáng)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(qiáng)度25.95MPa，應(yīng)屬Ⅳ類，即中硬底板。

2 受叢氣井影響開(kāi)采面臨的問(wèn)題

在榆樹(shù)灣煤礦井田范圍東部有中國(guó)石油長(zhǎng)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(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》的規(guī)定[5]，該叢井屬于Ⅰ類構(gòu)筑物，應(yīng)當(dāng)留設(shè)保護(hù)煤柱。采用垂直剖面法計(jì)算該從井的保護(hù)煤柱范圍，如圖1所示。

圖1 氣井保護(hù)煤柱垂直剖面

榆樹(shù)灣煤礦2-2煤層為近水平煤層，其氣井保護(hù)煤柱范圍可按水平煤層計(jì)算[6，7]，只需確定基巖走向移動(dòng)角δ和松散層移動(dòng)角α。則氣井保護(hù)煤柱范圍R=S+H1cotα+H2cotδ，Ⅰ類構(gòu)筑物圍護(hù)帶寬度S為20m，該叢氣井所在位置處2-2煤層實(shí)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(shù)灣煤礦地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，平均基巖走向移動(dòng)角δ為66°，松散層移動(dòng)角α為45°，計(jì)算后的氣井保護(hù)煤柱范圍R為176.7m，在此基礎(chǔ)上與采氣廠協(xié)調(diào)后取R=200m。劃定保護(hù)煤柱后的該部分區(qū)域如圖2所示。

圖2 劃定保護(hù)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(hù)煤柱影響，榆樹(shù)灣煤礦20116和20118綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面均無(wú)法穿越氣井保護(hù)煤柱直接開(kāi)采，同時(shí)該部分區(qū)域受井田邊界保護(hù)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(chǔ)量達(dá)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(fèi)礦井資源，增加礦井服務(wù)年限，需要科學(xué)合理的方法回收此部分區(qū)域煤炭資源。

3 雙巷條帶式開(kāi)采方法

3.1 采煤方法的選擇

針對(duì)不規(guī)則區(qū)域煤炭資源無(wú)法采用長(zhǎng)壁開(kāi)采方法回收的情況，常用的處理方式為短壁開(kāi)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(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜、通風(fēng)條件差、多頭串聯(lián)通風(fēng)的問(wèn)題，一般情況下適用于開(kāi)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(shù)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(kāi)采方法均不適應(yīng)于榆樹(shù)灣煤礦不規(guī)則區(qū)域的開(kāi)采。應(yīng)當(dāng)在開(kāi)采過(guò)程中盡量減少已掘巷道的裸露時(shí)間，盡快形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)；結(jié)合榆樹(shù)灣煤礦實(shí)際，確定采用連續(xù)采煤機(jī)雙巷條帶開(kāi)采的方式回收不規(guī)則區(qū)域煤炭資源，礦井目前正在開(kāi)采2-2煤層的上分層，下分層待上分層開(kāi)采完畢后再進(jìn)行開(kāi)采，因此不規(guī)則區(qū)域內(nèi)開(kāi)采設(shè)計(jì)只針對(duì)2-2煤層上分層。

3.2 雙巷條帶式開(kāi)采方法

3.2.1 布置方式

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

圖3 雙巷條帶開(kāi)采方法示意圖

由圖3可知，首先在井田的開(kāi)拓大巷向待開(kāi)采區(qū)域布置區(qū)段準(zhǔn)備巷道，區(qū)段運(yùn)輸巷負(fù)責(zé)煤炭運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸兼進(jìn)風(fēng)，區(qū)段回風(fēng)巷負(fù)責(zé)回風(fēng)，采用連續(xù)采煤機(jī)雙巷交替的方式掘進(jìn)，割煤與支護(hù)平行作業(yè)；在兩條巷道之間每隔40～60m掘進(jìn)一條通風(fēng)聯(lián)巷，以方便連續(xù)采煤機(jī)和支護(hù)設(shè)備就近調(diào)運(yùn)。區(qū)段運(yùn)輸巷和區(qū)段回風(fēng)巷掘進(jìn)至邊界位置后以通風(fēng)聯(lián)巷貫通形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)，區(qū)段準(zhǔn)備巷道掘進(jìn)完成后，從邊界位置向開(kāi)拓大巷方向依次回采。

3.2.2 開(kāi)采方法

回采時(shí)采用連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)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(yùn)輸巷和回風(fēng)巷一樣采用雙巷循環(huán)交替的方式掘進(jìn)，待掘進(jìn)完成后撤出雙巷條帶內(nèi)所有機(jī)械、機(jī)電等設(shè)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(jìn)02組、03組、04組、05組、06組、……、n組雙巷條帶，直至到達(dá)設(shè)計(jì)的不規(guī)則區(qū)域邊界位置，主巷和副巷每隔40～60m掘進(jìn)一條聯(lián)巷，方便連續(xù)采煤機(jī)、梭車等機(jī)械設(shè)備靈活調(diào)度。

3.2.3 運(yùn)輸系統(tǒng)

以開(kāi)采02組雙巷條帶時(shí)的情況闡述其運(yùn)輸系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 02組雙巷條帶開(kāi)采系統(tǒng)

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

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

3.2.4 通風(fēng)系統(tǒng)

以開(kāi)采02組雙巷條帶時(shí)的情況說(shuō)明雙巷條帶開(kāi)采法的通風(fēng)優(yōu)勢(shì)，如圖4所示。

1)通風(fēng)方式。在回采02組雙巷條帶時(shí)，通過(guò)構(gòu)建快速密閉的形式可實(shí)現(xiàn)雙巷條帶的巷道后路全負(fù)壓通風(fēng)，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(fēng)，通風(fēng)方式合理有效，既可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)壓通風(fēng)開(kāi)采，又具備兩個(gè)安全出口，是合法合規(guī)的高效開(kāi)采方式。

2)通風(fēng)路線。全負(fù)壓通風(fēng)路線：輔運(yùn)大巷(運(yùn)輸大巷)→區(qū)段運(yùn)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(fēng)巷→回風(fēng)大巷。局扇通風(fēng)路線：區(qū)段運(yùn)輸巷(安裝局部通風(fēng)機(jī))→02組主巷(02組副巷)

4 榆樹(shù)灣煤礦不規(guī)則區(qū)域開(kāi)采方案設(shè)計(jì)

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(shí)際情況，若回收不規(guī)則區(qū)域的煤炭資源，需先掘進(jìn)20118工作面的回采巷道，之后再掘進(jìn)不規(guī)則區(qū)域的區(qū)段運(yùn)輸巷和區(qū)段回風(fēng)巷；回采時(shí)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(kāi)采方法設(shè)計(jì)不規(guī)則區(qū)域的布置方式如圖5所示。

圖5 榆樹(shù)灣煤礦不規(guī)則區(qū)域雙巷條帶式布置方式

由圖5可見(jiàn)，該設(shè)計(jì)把開(kāi)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(kāi)采區(qū)域，這部分區(qū)域的雙巷條帶開(kāi)采方向與20118工作面運(yùn)輸巷方向垂直；另一部分是“雙22-41叢氣井”東北側(cè)的開(kāi)采區(qū)域，這部分區(qū)域的雙巷條帶開(kāi)采方向與區(qū)段運(yùn)輸巷方向垂直。為便于陳述，把雙巷條帶從北向南依次進(jìn)行編號(hào)，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(yùn)輸巷開(kāi)口開(kāi)始掘進(jìn)，主、副巷交替掘進(jìn)，距離主巷開(kāi)口處50m后在主副巷之間掘進(jìn)一條聯(lián)巷，聯(lián)巷長(zhǎng)度為9m，與主巷夾角為90°，掘進(jìn)至井田邊界保護(hù)煤柱位置后退出所有設(shè)備并封閉主、副巷，然后開(kāi)始掘進(jìn)02組條帶，02組條帶回采完畢后封閉主、副巷再掘進(jìn)03組條帶。依次循環(huán)至31組條帶掘進(jìn)完畢，每條聯(lián)巷之間均相隔50m。

4.2 巷道規(guī)格及支護(hù)參數(shù)

圖6 不規(guī)則區(qū)域區(qū)段運(yùn)輸巷支護(hù)方式(mm)

因不規(guī)則區(qū)域區(qū)段運(yùn)輸巷及區(qū)段回風(fēng)巷為20118工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的延伸，其巷道規(guī)格和支護(hù)參數(shù)參考礦井工作面巷道已有支護(hù)方式，支護(hù)形式如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，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(yùn)輸巷雙巷條帶開(kāi)口側(cè)幫部使用?20mm×2000mm玻璃鋼錨桿，區(qū)段回風(fēng)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(kāi)采巷道功能用途與區(qū)段巷道相同，需要滿足連采機(jī)、梭車等設(shè)備的調(diào)車需求，因此設(shè)計(jì)斷面規(guī)格相同，支護(hù)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(shè)備選型

不規(guī)則區(qū)域范圍小，新購(gòu)買(mǎi)設(shè)備投資較高，設(shè)計(jì)考慮采用礦井目前現(xiàn)有的設(shè)備，區(qū)域內(nèi)的巷道割煤、裝煤、運(yùn)煤及支護(hù)等生產(chǎn)工序選用連續(xù)采煤機(jī)及其后配套設(shè)備[16，17]。所需主要設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)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(jiǎn)單，正規(guī)循環(huán)作業(yè)循環(huán)進(jìn)度為10m，掘進(jìn)遇地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，縮小循環(huán)進(jìn)度，同時(shí)錨桿及時(shí)支護(hù)。每完成一個(gè)掘進(jìn)作業(yè)循環(huán)后，將連續(xù)采煤機(jī)退出，并將錨桿機(jī)調(diào)入對(duì)新掘巷道頂、幫進(jìn)行支護(hù)，頂部及幫部1、2根錨桿支護(hù)到位并緊跟掘進(jìn)工作面，幫部3、4根錨桿滯后掘進(jìn)工作面距離最多不得超過(guò)50m。巷道交岔點(diǎn)處用以加強(qiáng)支護(hù)的錨索同頂板錨桿、幫部1、2根錨桿一起及時(shí)支護(hù)。

4.5 回采工藝

在掘進(jìn)的一個(gè)正規(guī)循環(huán)里，主要工序分為落煤、清煤、運(yùn)煤與支護(hù)，其工序的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)設(shè)備的支持，工序與設(shè)備的匹配關(guān)系如圖7所示。

圖7 回采工藝與設(shè)備流程

1)落煤：12CM15-10D型連續(xù)采煤機(jī)最大截割寬度為3.3m，不滿足巷道設(shè)計(jì)5.7m寬度的要求，在割煤時(shí)，先在所掘巷道的左側(cè)進(jìn)刀，截割深度達(dá)循環(huán)深度要求后退出連續(xù)采煤機(jī)，此為切槽；連續(xù)采煤機(jī)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(gè)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(hù)前和支護(hù)后，其所使用的清煤設(shè)備也不同。在一個(gè)循環(huán)的落煤工序完成后，巷道支護(hù)前用連續(xù)采煤機(jī)清理一次浮煤以使巷道達(dá)到設(shè)計(jì)高度，在巷道支護(hù)完畢后再利用裝載機(jī)徹底清理巷道浮煤。

3)運(yùn)煤：正常作業(yè)時(shí)，連續(xù)采煤機(jī)割煤、裝煤，梭車從煤機(jī)處將煤運(yùn)送至轉(zhuǎn)載破碎機(jī)，再由帶式輸送機(jī)將煤運(yùn)出掘進(jìn)工作面至地面煤倉(cāng)。

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

4.6 生產(chǎn)能力

雙巷條帶開(kāi)采方案采用連續(xù)采煤機(jī)作業(yè)，參考榆樹(shù)灣煤礦其他工作面巷道雙巷掘進(jìn)時(shí)的掘進(jìn)速度，不規(guī)則區(qū)域內(nèi)31組條帶開(kāi)采掘進(jìn)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?yàn)殡p巷掘進(jìn)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(jì)算可得，不規(guī)則區(qū)域采用雙巷條帶開(kāi)采方法的生產(chǎn)能力為4.5萬(wàn)t/月。

5 結(jié) 論

1)采用雙巷條帶開(kāi)采方案高效回收了榆樹(shù)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(shí)施該設(shè)計(jì)方法后在不規(guī)則區(qū)域共回收煤量433382t，按榆樹(shù)灣煤礦綜合當(dāng)量煤價(jià)為291元/t(不含稅)計(jì)算，為礦井帶來(lái)收益12611.42萬(wàn)元。

2)雙巷條帶式開(kāi)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(kāi)采問(wèn)題，采用輕量化的連續(xù)采煤機(jī)雙巷開(kāi)采，后方梭車、履帶式轉(zhuǎn)載破碎機(jī)配套運(yùn)輸，掘進(jìn)條帶聯(lián)巷，各設(shè)備機(jī)動(dòng)靈活，機(jī)械化程度高，割煤和支護(hù)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(kāi)采效率；且其采用雙巷全負(fù)壓與局部通風(fēng)相結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)，最大程度地減少局部通風(fēng)巷道長(zhǎng)度，掘進(jìn)完成后巷道及時(shí)密閉充分減少巷道裸露時(shí)間，在使用連采機(jī)、梭車高效化掘進(jìn)的礦井回收邊角煤資源時(shí)可積極推廣使用。