孫振于，白金正，余 波，徐基根，盧安良，武智東

(1.徐州弘毅科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116；3.國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209；4.鄂爾多斯市成達礦業(yè)有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017300)

很多礦井由于未考慮沖擊地壓因素進行設計和建設，在后續(xù)開采過程中發(fā)生了沖擊地壓災害，給礦井生產帶來了重大的安全隱患和治理投入[1-3]。煤礦沖擊地壓防治首先要遵循“區(qū)域先行”的原則，即從采掘布局、開采設計上盡可能地避免出現(xiàn)應力集中區(qū)域[4，5]。近些年來，眾多學者和技術人員提出了多種具體的區(qū)域防沖技術，取得了很好的實踐效果[6-9]。王志強等[10]以華豐煤礦為工程背景，提出了“負煤柱”布置的理念和方法，成功實現(xiàn)了沖擊地壓工作面的安全開采。翟明華等[11]在山東能源集團3個不同類型巨厚堅硬巖層沖擊地壓礦井采用了保護層開采、負煤柱設計、關鍵工作面確定與參數(shù)設計、避開震動損害邊界開采設計、小煤柱設計和順序開采工作面參數(shù)優(yōu)化設計等綜合方法，闡述了防沖安全的具體做法。郭曉強[12]、陳建君等[13]提出并驗證了鄰近采空區(qū)巷道外錯布置技術的合理性與優(yōu)越性。通過查閱相關文獻發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究都是基于現(xiàn)已存在的問題而提出的解決方案，很少從礦井設計之初考慮沖擊地壓影響對整個礦井開拓布局提出具體優(yōu)化設計方案。因此，本文基于納林河礦區(qū)陶忽圖煤礦具體工程條件，考慮沖擊地壓影響因素對礦井整體開拓布局進行優(yōu)化設計，以期為條件類似礦井設計提供參考依據(jù)。

1 工程概況

陶忽圖煤礦為規(guī)劃礦井，尚未開工建設，目前處于設計階段。井田南北長12.7 km，東西寬2.5～11.2 km，面積83.82 km2，受自然保護層區(qū)和天然氣開采等影響井田形狀呈不規(guī)則倒葫蘆型，礦井計劃初期開采西北部區(qū)域。井田范圍如圖1所示。礦井設計主采煤層為2-2、3-1、6-1煤層，其中，2-2煤層平均埋深為679.63 m，平均可采厚度為3.43 m；3-1煤層平均埋深為741.04 m，平均可采厚度為6.26 m，上距2-2煤層平均為57.94 m；6-1煤層平均埋深為843.05 m，平均可采厚度為3.29 m，上距3-1煤層平均為100.56 m。礦井經(jīng)沖擊傾向性評估和沖擊危險性評價，各煤層均具有弱沖擊傾向性和無～弱沖擊危險性。礦井南部為納林河二號井、北部為營盤壕煤礦，兩礦均為沖擊地壓礦井。

圖1 井田范圍(m)

綜上可知，礦井各煤層埋深較大，具有沖擊傾向性和沖擊危險性，鄰近開采同煤層的礦井發(fā)生過沖擊地壓災害，具有發(fā)生沖擊地壓的潛在風險，應考慮沖擊地壓影響對礦井進行設計。

2 礦井原設計存在的問題

2.1 礦井原開采設計方案

礦井設計生產能力800萬t/a，計劃2-2、3-1煤層聯(lián)合開采，兩煤層各布置一個工作面同時生產達產。由于3-1煤層較厚，經(jīng)濟效益較好，設計采用上行開采的方法優(yōu)先開采3-1煤層作為2-2煤層的保護層。礦井設計采用立井開拓，井筒及井底車場選擇布置在井田中部，沿井底車場南北兩側布置開拓大巷，在大巷兩側沿東西走向布置工作面，開拓布置如圖2所示。計劃首采3-1101工作面，待3-1101工作面開采一定距離后開采上部的2-2201工作面，兩面同時生產達產，而后在首采工作面南北兩側順序接替。

圖2 礦井開拓布置

2.2 原開采設計方案存在問題分析

2.2.1 保護層選擇問題分析

保護層開采是區(qū)域性防治沖擊地壓的有效方法[14-16]。具有沖擊危險的礦井開采煤層群時，應優(yōu)先選擇無沖擊危險，或沖擊危險較低的煤層作為保護層進行開采[17]。礦井設計優(yōu)先開采3-1煤層作為2-2煤層的保護層，但3-1煤層厚度較大，埋藏也較深，所以沖擊危險性也相對較高；而且周邊納林河二號礦井[18，19]開采3-1煤層過程中發(fā)生過多次沖擊地壓事件，表明3-1煤層沖擊危險性較強，應作為被保護層進行開采。

開采下保護層，不得破壞被保護層的開采條件，根據(jù)文獻[17]，開采下保護層時，不破壞上部煤層的最小間距可參考下式計算。

H=KMcosα

(1)

式中，H為不破壞上部煤層的最小間距，m；K為頂板管理系數(shù)，全部垮落法管理頂板時取10；M為保護層開采厚度，m；α為煤層傾角，(°)。

礦井設計采用全部垮落法管理頂板，K取10；3-1煤可采厚度為6.26 m；地層傾角小于3°。將上述數(shù)據(jù)帶入上式可得H=62.51 m，大于3-1和2-2煤層平均間距，所以優(yōu)先開采3-1煤層可能會破壞2-2煤層的開采條件。

2.2.2 礦井布置方案問題分析

1)開切眼或終采線外錯，受礦井邊界和開拓巷道布置影響，工作面走向與大巷和礦井邊界斜交，多工作面布置時開切眼與礦井邊界、終采線與大巷之間呈鋸齒形狀，導致工作面出現(xiàn)開切眼外錯或終采線外錯。

2)部分區(qū)域位于保護范圍外，位于首采工作面南側的2-2煤工作面終采線位置部分區(qū)域和位于首采工作面北側的2-2煤工作面開切眼位置部分區(qū)域處于保護層保護范圍外。

3)丟失三角煤，工作面走向與礦井邊界和大巷斜交，會在礦井邊界處和工作面終采線附近形成鋸齒形三角煤；而且鋸齒形三角煤會對礦井后期大巷保護煤柱的回收造成嚴重影響。

4)礦井前期會有2個采煤工作面和4個煤層掘進工作面在一個相對較小的區(qū)域內同時生產，會某一段時間相互干擾。雖然對于部分區(qū)域不處于保護范圍的問題可以采用縮面或采取一定卸壓措施的方式來解決，但同時會導致施工工藝更復雜，產生額外的經(jīng)濟支出以及丟失部分煤炭資源等問題。

3 雙煤層協(xié)同開采防沖優(yōu)化設計

3.1 雙煤層協(xié)同開采優(yōu)化方案

3.1.1 單翼雙煤層協(xié)同開采優(yōu)化方案

在保護層選擇方面，應優(yōu)先開采煤層厚度較薄的，且埋深較淺的2-2煤層作為3-1煤層的保護層。在礦井優(yōu)化設計方面，可將北翼大巷走向方向調整至與礦井西部邊界平行，大巷兩翼工作面與大巷垂直布置；首采2-2101工作面，待2-2101工作面開采一定距離后，開采下部的3-1101工作面，兩工作面同時生產達產，而后在首采工作面兩側順序開采，如圖3所示。按此布置，當大巷西翼工作面開采臨近大巷末端時，將在礦井西北側形成三角區(qū)域。對于三角區(qū)域煤層的開采，可在2-2煤工作面開采至該區(qū)域后，在北翼大巷末端2-2煤采空區(qū)下方，垂直于北翼大巷布置準備巷道，垂直于準備巷道布置工作面進行回采。按該方案布置，首先避免了2-2煤層孤島煤柱的形成，大巷在保護層的保護下較為安全，其次3-1煤層中大巷孤島煤柱在保護層的保護下回收也較為安全。上述布置方案可以解決大巷西翼工作面開切眼或終采線外錯、部分區(qū)域位于保護層外的問題，避免了三角煤的丟失，提高煤炭回收率，而且有利于礦井后期大巷孤島煤柱的回收。但此布置會增加礦井后期開拓工程量，增加一定的后期投入。

圖3 單翼雙煤層協(xié)同開采優(yōu)化方案

3.1.2 雙翼雙煤層協(xié)同開采優(yōu)化方案

若礦井不受先期開采區(qū)域的限制，可在大巷兩側跳采，先單獨開采大巷西側的2-2101工作面，然后接大巷東側的2-2102工作面，在開采2-2102工作面的同時開采2-2101工作面下方的3-1101工作面，如圖4所示。按此布置方式可以同時解決礦井前期采掘工作面過于集中的問題，更為合理和安全。

圖4 雙翼雙煤層協(xié)同開采優(yōu)化方案

3.2 雙煤層協(xié)同開采工作面布置參數(shù)

保護層開采條件下，要合理確定被保護層工作面與保護層工作面之間的走向和傾向錯距，以及滯后距離。

參照文獻[17]，按照保護層的傾向保護范圍確定原則，該礦煤層傾角不超過3°，所以卸壓角δ3、δ4取75°；2-2煤層與3-1煤層層距平均為57.94 m，最大間距69 m，為安全考慮取兩煤層最大間距69 m，則合理錯距第一部分應為L1=69/tan75°=18.5 m；除此之外，還要考慮為下階段工作面所留設的巷道和區(qū)段煤柱寬度，若工作面運輸巷、回風巷寬度取5.5 m，相鄰兩工作面之間區(qū)段煤柱寬度取5.0 m，則錯距第二部分L2應為11.5 m；所以合理傾向錯距應為L=L1+L2=30 m，如圖5所示。

圖5 礦井優(yōu)化布置方案傾向剖面

參考文獻[20]，按照保護層的走向保護范圍確定原則，卸壓角δ5取56°，走向錯距應為69/tan56°=46.54 m，取整為47 m，如圖6所示。礦井設計生產能力800萬t，設計一個2-2煤層工作面和一個3-1煤層工作面同時生產達產，則2-2煤層工作面年生產能力需要達到250～350萬t，2-2煤層工作面設計寬350 m，采高3.43 m，容重為1.3 t/m3，采出率取0.95。根據(jù)經(jīng)驗，工作面采后后方采空區(qū)穩(wěn)定一般需要3～6個月的時間，則6個月2-2煤工作面回采長度約為843～1180 m，取1200 m；所以在選擇單翼雙煤層協(xié)同開采優(yōu)化方案的條件下，建議3-1煤工作面應滯后2-2煤工作面1200 m。

圖6 礦井優(yōu)化布置方案走向剖面

4 結 論

1)經(jīng)分析，礦井原開采設計方案存在保護層選擇不合理、開切眼或終采線外錯、部分區(qū)域位于保護范圍外、丟失三角煤、對礦井后期大巷保護煤柱的回收不利以及前期采掘過于集中等問題。從沖擊地壓防治角度對保護層選擇和礦井設計進行優(yōu)化，能有效避免礦井原開采設計方案中存在的問題。

2)2-2煤層保護層工作面與3-1煤層被保護層工作面之間合理傾向錯距為30 m，走向錯距為47 m，3-1煤層工作面應滯后2-2煤層工作面1200 m。