燕杰星，左迎光，宋耀楠

(國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦31采區(qū)3-1厚煤層位于延安組的中部，平均埋深363.2m，煤厚2.05m～7.15m，平均5.25m，煤層傾角1°～3°，煤層最下部夾有1-2層夾矸(巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖)；基本頂為細粒砂巖、中粒砂巖、粗粒砂巖、粉砂巖，厚度7.03m～33.66m，平均22.04m；直接頂為1.6m～8.95m的砂質(zhì)泥巖、泥巖；偽頂為0～0.4m的砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖；直接底為0.5m～2.0m的泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖(其中高嶺土巖層厚度0.4m～0.8m不等)，遇水易膨脹、泥化，采掘時均預(yù)留0.5m以上的底煤。參照《緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類》(MT554-1996)和煤層頂板巖性綜合分析3-1煤層頂?shù)装迩闆r：煤層直接頂為1b，屬不穩(wěn)定頂板；基本頂?shù)某醮蝸韷寒?dāng)量平均值為1 113.89KN/m2，屬Ⅳa級；煤層底板較軟。

3-1厚煤層布置厚煤層綜采面，煤層內(nèi)采用連續(xù)前進式開采順序；綜采面采用走向長壁式采煤法，后退式采煤，采用大采高一次采全高綜合機械化采煤工藝，自然垮落法管理采空區(qū)頂板。

1 綜采面巷道布置方式和回風(fēng)順槽設(shè)計

1.1 厚煤層綜采面巷道布置方式

厚煤層綜采面采用三巷布置方式，分別是回風(fēng)順槽、膠運順槽和下一個綜采面的回風(fēng)順槽，見圖1。

如圖1所示，31313膠運順槽為進風(fēng)巷，31313回風(fēng)順槽為回風(fēng)巷；其中，31313回風(fēng)順槽在經(jīng)受了相鄰的31311綜采面回采動壓影響后礦壓顯現(xiàn)明顯，底板底鼓頻繁，不利于布置設(shè)備列車和特種車輛輔助運輸，所以設(shè)備列車和單軌吊管線吊掛裝置均布置在31313膠運順槽內(nèi)，并與31313膠運順槽內(nèi)靠近綜采面開采幫的帶式輸送機平行布置；在31313綜采面回采期間，31315回風(fēng)順槽兼做31313綜采面的輔助運輸通道，屬于進風(fēng)巷；而在31315綜采面回采期間，31315回風(fēng)順槽則作為31315綜采面的回風(fēng)巷。

圖1 31313綜采面三巷布置示意圖

1.2 采掘接續(xù)說明

《煤礦安全規(guī)程》第一百五十三條規(guī)定，“礦井在同一煤層、同翼、同一采區(qū)相鄰正在開采的采煤工作面沿空送巷時，采掘工作面嚴禁同時作業(yè)”。

31采區(qū)3-1厚煤層南翼，煤層內(nèi)各綜采面之間的開采順序為連續(xù)前進式。因此，綜采面回采作業(yè)前，其附近的掘進作業(yè)必須提前完成。如圖2所示：31313綜采面回采之前，需要提前4個月完成31313切眼掘進事宜，需要提前3個月完成31315回風(fēng)順槽掘進事宜，然后31313綜采面依次進入準備期、安裝作業(yè)期和初采期；早結(jié)束的掘進隊依次開展31315備采面的膠運順槽、聯(lián)絡(luò)巷和切眼的掘進事宜，后結(jié)束的掘進隊則依次開展31315備采面開口段巷道、31317回撤通道、31315回風(fēng)順槽等掘進事宜；31313綜采面初采前，需安排一支小隊，超前31313綜采面采動動壓影響范圍之外進行31315回風(fēng)順槽加強支護，31313綜采面回采結(jié)束后接續(xù)31315綜采面。

圖2 3-1厚煤層局部采掘接續(xù)示意圖

1.3 回風(fēng)順槽設(shè)計

采用三巷布置的厚煤層綜采面，回風(fēng)順槽底板留煤厚度0.5m；回風(fēng)順槽要先后服務(wù)于相鄰的兩個綜采面，即先后要經(jīng)受兩次綜采面采動動壓影響，這對斷面支護強度的要求比較高。而為了加快掘進速度，回風(fēng)順槽支護強度一般分兩次來達到設(shè)計要求：①掘進支護設(shè)計，只要滿足掘進支護的需要即可；②錨索加強支護，進一步提高支護強度。掘進支護設(shè)計簡單，掘進速度就提高了，這對保證采掘接續(xù)平衡比較有利，如31317回風(fēng)順槽原支護設(shè)計，見圖3、圖4，總的單米巷道成本約3 781.6元(見表1)。

圖3 原31317回風(fēng)順槽掘進支護斷面

圖4 原31317回風(fēng)順槽加強支護斷面

1.4 存在的問題

3-1厚煤層直接底較軟，遇水又易膨脹、泥化；回風(fēng)順槽掘進留底煤厚度僅0.5m，巷道底板抗底鼓強度較低。掘進活動作用效果：①大型掘進設(shè)備會對底板造成不同程度的碾壓破壞；②圍巖壓力重新分布，致使最為薄弱的巷道底板頻繁底鼓；③巷道底煤隔水層遭受破壞，淋水順著裂縫進入，并對直接底形成浸泡狀態(tài)。這樣一來，回風(fēng)順槽頻繁底鼓且底板泥化嚴重，無法施工砼底板，無軌膠輪車輔助運輸也比較困難，回采期間超前支護范圍單體液壓支柱鉆底也比較嚴重，綜采面機尾側(cè)端頭液壓支架下陷也比較明顯。

煤層平均厚度5.25m，巷道底板留煤0.5m，巷道設(shè)計高度4.0m，則頂板留煤厚度多在0.75m以上，頂三角煤過厚。該礦厚煤層綜采面采用了頂三角煤回收工藝，較好地減少了端頭頂三角煤的損失量。但是，巷道頂板留煤厚度越大，頂三角煤損失量就越大。不僅如此，過渡支架處綜采面中部頂板與端頭支架頂板之間的錯臺也會因頂板留煤厚度的增加而增大，錯臺處端頭支架頂梁的空頂現(xiàn)象也會因此更加明顯，這對綜采面端頭頂板管理也較為不利。

表1 優(yōu)化前材料消耗量和單米成本

二次組織人員開展回風(fēng)順槽加強支護作業(yè)，人工及加強支護輔助設(shè)備設(shè)施等投入事倍功半，成本高而效率低。

先后兩次支護作業(yè)，僅錨索支護密度就高達3根/m；頂板加強支護錨索與頂板一排掘進支護錨桿處于重疊狀態(tài)，被重疊的一排掘進支護錨桿作用顯著降低。回風(fēng)順槽兩次支護作業(yè)，支護材料投入大而礦壓顯現(xiàn)依舊明顯，巷道底板仍頻繁發(fā)生。

2 優(yōu)化回風(fēng)順槽設(shè)計

2.1 優(yōu)化回風(fēng)順槽在煤層中的位置

針對3-1厚煤層直接底的特性，確定回風(fēng)順槽在厚煤層中的位置關(guān)系時需要重點考慮3個方面：①底板留煤厚度要起到較好的隔水效果，不至于遭受掘進機械頻繁碾壓后失去隔水效果；②通過增加底板留煤厚度來提高底板抗底鼓強度，以提高巷道底板的穩(wěn)定性；③留有適當(dāng)?shù)捻斆?，以方便掘進期間的頂板管理。該礦最終將頂板留煤厚度限制在0.5m以下，巷道高度由原設(shè)計的4.0m降低至3.7m，巷道寬度由原設(shè)計的5.2m減少至5.0m。

2.2 優(yōu)化回風(fēng)順槽支護設(shè)計

參照回風(fēng)順槽斷面數(shù)據(jù)，錨桿、錨索的支護參數(shù)和支護材料的計算結(jié)果：錨桿長度應(yīng)不小于2.54m，錨桿直徑應(yīng)不小于20.1mm，錨桿間排距應(yīng)不大于1.435m，錨固力不小于100kN；錨索長度應(yīng)不小于3.74m，錨索直徑應(yīng)不小于10.1mm，錨索間排距應(yīng)不大于4.51m，錨索預(yù)緊力不小于150kN。據(jù)此，該礦最終確定了回風(fēng)順槽錨桿、錨索支護參數(shù)和支護材料選型，如優(yōu)化后的31317回風(fēng)順槽支護設(shè)計(見圖5)，單米巷道成本約2 512.9元(見表2)。

圖5 優(yōu)化后的31317回風(fēng)順槽斷面

而增加回風(fēng)順槽底板留煤厚度之后，并不會增加底三角煤的損失量。綜采面回采期間，采煤機截割機尾底三角煤時，要使綜采面中部底板與機尾處底板保持一致即可。這樣一來，不僅機尾底三角煤得到了充分回收，而且機尾底三角煤損失量也降到了歷史最低水平。

表2 優(yōu)化后材料消耗量和單米成本

3 效果對比

回風(fēng)順槽底板留煤厚度多在1.0m以上，底板抗底鼓能力提高了，底板隔水性能、抗碾壓破壞能力也都有了保障，巷道圍巖的穩(wěn)定性也就有基礎(chǔ)保障。

刨除原設(shè)計中的砼底板成本后，巷道掘進成本仍減少了443.9元/m，人工勞動強度降低了，作業(yè)環(huán)境改善了，掘進速度也就有了保障和提高。

先后經(jīng)歷兩次綜采面采動動壓影響后，回風(fēng)順槽礦壓顯現(xiàn)一般，總的平均底鼓量一般不超過0.5m，平整后即可恢復(fù)巷道輔助運輸功能。綜采面回采過程中，單體液壓支柱不再鉆底，端頭支架也不再下陷。

顯著降低了綜采面機尾側(cè)頂、底板三角煤的損失量，即機尾側(cè)頂、底板三角煤回收量增加了4.75t/m。

4 結(jié)束語

由國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦自主優(yōu)化完成的回風(fēng)順槽在厚煤層中的位置關(guān)系，能夠有效提高底板抗底鼓能力、底板隔水能力、圍巖穩(wěn)定性以及機尾側(cè)頂、底板三角煤的回采率。其優(yōu)化后的回風(fēng)順槽一次性斷面支護參數(shù)和支護材料選擇，降低了掘進人工勞動強度，改善了作業(yè)環(huán)境，提高了掘進速度，掘進成本降低了443.9元/m，達到了事半功倍的效果。其中的回風(fēng)順槽在厚煤層中的位置關(guān)系已申請了國家實用新型專利(“一種順槽巷道在厚煤層中的布置結(jié)構(gòu)”，專利號ZL201921658429.4)。該回風(fēng)順槽優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，可供具有相同需求的井工煤礦及相關(guān)企業(yè)應(yīng)用參考，直接經(jīng)濟效益和間接經(jīng)濟效益都非常明顯。