冲击地压条件下工作面巷道层位选择

聂书遥

(陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 713600)

0 引言

陕西彬长集团孟村煤矿位于咸阳市长武县东部，东西长为10.5 km，南北宽为6.5 km，井田面积61.2 km2。可采面积约58.77 km2，地质储量8.6亿t，可采储量6.4亿t，矿井设计规模600万t/a，服务年限71.5 a。采用单水平立井开拓方式，中央并列式通风方式，抽出式通风方法。

1 工程概况

1.1 煤层及顶底板情况

煤层情况：开采煤层为侏罗纪延安组4#煤层，倾角平缓，一般小于7°，构造简单，埋深为430～690 m，厚度3.70～26.02 m，平均厚度16.13 m，属易自燃煤层。

顶底板情况：4#煤伪顶为黑色炭质泥岩，厚度极小，与采煤同时垮落。直接顶板为砂质泥岩，平均厚度3.38 m；基本顶为粗砂岩、细砂岩，厚度7.75～20.5 m。底板为灰褐色含鲕状结构的铝土质泥岩，铝质泥岩厚度1.83～7.77 m，属软弱岩层，遇水膨胀，产生底鼓现象，属不稳定底板。

1.2 涌水情况及煤层冲击性

涌水情况：矿井正常涌水量490 m3/h、最大涌水量735 m3/h，矿井水文地质类型为复杂型。

煤层冲击性：4#煤层煤尘具有爆炸危险性，矿井为高瓦斯矿井，4#煤层经鉴定具有强冲击倾向性，为冲击地压煤层，矿井为冲击地压矿井。该井田开采的4#煤层冲击倾向性等级为强，煤层底板无冲击，顶板为弱冲击。

2 首采面巷道布置及支护

2.1 首采面概况

4#煤层平均厚度16.13 m，属特厚煤层开采，因此采取分层开采的方法布置工作面两顺槽。布置的首采面401101工作面可采走向长度2 090 m，倾向长度180 m，设计回采煤层厚度10.5～12.0 m，平均11.6 m。工作面割煤高度3.5 m，放煤高度8.1 m，采放比1∶2.31，4#煤视密度1.36 t/m3。根据实际工作面回采情况，正常割煤高度3.5 m，放煤高度11.3～15.8 m。

2.2 支护情况

依据支护设计，运顺、回顺、措施巷采用锚+网+索支护，高抽巷采用锚杆+木托盘+网支护，运、回顺过断层区域架设29U型钢棚加强支护。

运输顺槽：可采长度2 090 m，宽度5 500 mm，高度3 550 mm，布置在4#煤层中，与中央胶带输送机大巷相连。

回风巷：可采长度为2 090 m，布置在4#煤层中，宽度5 500 mm，高度3 750 mm，与401盘区一号回风大巷相接。

措施巷：长度为1 800 m，宽度为4 500 mm，高度3 250 mm，布置在4#煤层中，与401盘区辅助运输大巷相接。

高位瓦斯抽放巷：布置在4#煤顶板以上稳定岩层中，与进风巷平行布置，内错回风顺槽20 m(净岩柱)，总长2 090 m，宽度2 800 mm，高度2 500 mm。

锚杆材料：进风巷、回风巷、措施巷、高抽巷的顶板、帮部支护锚杆杆体材料采用Ⅱ级左旋螺纹钢，直径为22 mm，锚杆长度为2 500 mm，锚杆外露长度为10～40 mm，每根锚杆使用1支K2360和1支Z2360型树脂锚固剂。锚杆托盘采用Q235钢，规格为150 mm×150 mm×12 mm，支护网片采用8#镀锌菱形铁丝网，网片搭接为100 mm，顶板配套使用钢带，帮部配套使用钢筋梯联合支护。

锚索材料：进风巷、回风巷、措施巷顶板锚索均采用φ21.8 mm的1×19股钢绞线，锚索长度为7 100 mm。配套使用托盘和锚索梁，托盘采用的是300 mm×300 mm×16 mm的Q235蝶形托盘；每根锚索使用1支K2360和2支Z2360型树脂锚固剂，锚索外露长度150～250 mm。

3 巷道层位布置方案及对比

3.1 巷道层位布置方案

由于煤层底板遇水易膨胀，极易产生底鼓现象[1-4]，不利于巷道维护；其次巷道承受上覆4#煤体的强冲击性，叠加顶板的弱冲击性效应，产生的冲击能量较大[5-8]，因此该工作面巷道不宜布置在巷道底板。由于4#煤为厚煤层开采，提出以下3种巷道布置方案，图1为巷道布置方案示意图。

图1 巷道布置方案图

方案一为综采工作面两顺槽及切眼沿顶板布置，形成回采工作面。方案二(当前布置形式即为方案二)为综采工作面两顺槽及切眼在煤层中间距顶板15～18 m处布置，形成回采工作面。方案三为综采工作面两顺槽及切眼在煤层中间距顶板7.5 m处布置，形成回采工作面。

3.2 方案一优缺点分析

优点：①顶板控制及冲击威胁方面—支护设计中φ22 mm×2 500 mm锚杆和φ21.8 mm×7 100 mm锚索将分别深入直接顶和基本顶，通过锚杆、锚索的延伸传导及组合悬吊作用，形成浅层和深层均稳定顶板围岩。从受冲击地压危害角度考虑，由于跟顶掘进，巷道仅受到来自顶板的弱冲击。同时，由于锚杆、锚索将分别深入直接顶和基本顶，顶板的整体稳定性得到加强，弱冲击释放空间及量级也会变弱，有利于巷道避免受到较大冲击威胁[9-12]；②安全高效掘进和巷道质量标准化控制方面—由于两顺槽沿煤层顶板布置，有稳定顶板层位可以跟踪掘进，并且顶板相对于煤体易于控制和保持完整性，锚杆、锚索等巷道支护布置易形成成排成线管理，从而为巷道的质量标准化管理打下基础；③冲击保护层开采方面—沿顶板布置的综采工作面，一次采全高结束后，煤体顶板形成3.5 m高采空区。即相当于将顶部的3.5 m煤厚以保护层形式开采，这为下部煤体冲击应力的释放提供了空间；④采空区瓦斯管理方面—由于沿顶板一次采全高，采空区未遗留顶部煤炭，有利于采空区防灭火以及瓦斯管理；⑤伪顶形成方面—沿顶板布置采面回采后，3.5 m的开采高度，相对于15～18 m的放顶煤开采高度，更有利于形成牢固可靠的伪顶，为下部厚煤层尽早回采做准备。

缺点：①单产效率远低于目前的综放开采，如要达产600万t/a的年设计产量，还需再布置4个采面，其成本及其他费用投入较大；②随着顶部3.5 m煤体回采，采空区内易形成严重积水区域，有一定水害隐患。

3.3 方案二优缺点分析

优点：出煤快，产量高。由于工作面割煤高度3.5 m，放煤高度11.3～15.8 m，工作面储量够的情况下，单采面即可完成600万t/a的年设计产量。

缺点：①冲击威胁方面—由于顶板支护选用φ22 mm×2 500 mm锚杆和φ21.8 mm×7 100 mm锚索，全部锚固在顶部煤体中，巷道受到来自顶板和4#煤自身冲击威胁较大。掘进期间，全煤体掘进对前方断层等地质构造不易察觉，极易受到断层附近冲击显现的威胁。回采过程中，由于需要防治冲击地压，常常超前进行顶板高压水预裂或放松动炮，这也给全煤体锚固巷道支护带来不安全隐患；②安全高效掘进和巷道质量标准化控制方面—由于支护布置在全煤体内，无明显标志层位跟踪掘进，巷道层位不易控制，顶板不易控制和保持完整性，锚杆、锚索等支护布置难以成排、成线管理；③掘进期间对巷道上覆顶煤厚度情况掌握不清楚，对7.1 m锚索锚固段以外顶煤厚度情况掌握不清楚。如果冲击的能量是由于煤体上覆顶板的断裂释放的能量通过作用在上覆煤体后，叠加上覆煤体弹性势能的释放，一起施加到巷道内形成冲击显现的话，则上覆煤厚越厚，显现的能量越高。由于没有对巷道上覆顶煤厚度情况掌握，就无法找到显现能量与厚度之间的关系和规律，对冲击地压的防治和研究也无法主动开展；④采空区瓦斯管理—由于对上覆13～15 m的煤进行放顶煤回采，造成采空区未遗留有大量煤炭，不利于采空区防灭火以及瓦斯管理；⑤伪顶形成方面—15～18 m的开采高度，其形成伪顶的时间可能长达数10年，同时也不容易形成牢固可靠的伪顶，其采空区形成水害的威胁将更加巨大，对下部煤体开采带来极其不利的影响，可能会造成下部煤炭资源无法开采。

3.4 方案三优缺点分析

布置方式：通过对方案一和方案二的分析，发现两者互为长短，是巷道层位选择方向的两个极端。因此提出了折中方案，即方案三。方案三将顶板支护选用的φ21.8 mm×7 100 mm锚索变更为φ21.8 mm×8 800 mm锚索。同时，上提巷道顶板层位，使巷道顶部层位距离煤层顶板7.5 m，锚索深入砂质泥岩顶板不少于1.3 m，保持巷道顶部支护跟随煤层顶板施工。如按此方式布置，工作面一次采全高3.5 m，放顶煤高度7.5 m，采放比为1∶2.14，合计回采高度11 m，约为矿井目前采用方案二布置形式的2/3产量。

优点：①防止冲击威胁方面—通过锚索的延伸传导及悬吊作用，依托直接顶稳定岩体增加巷道顶部煤体的稳定性，从而减少受冲击地压威胁；②安全高效掘进和巷道质量标准化控制方面—由于支护生根点在直接顶板，能够较好地通过布置锚索支护，控制好顶板，提高掘进速度，促进巷道支护质量标准化管理；③掘进期间能够对巷道上覆顶煤厚度情况、上覆顶煤煤厚变化及趋势及时掌握，通过仪器观测确定冲击能量显现与厚度之间的规律，并以此为基础开展不同煤厚及锚索支护长度下冲击地压显现规律，从而寻找出更加合理有效的支护方案及参数；④伪顶的形成速度总体应该比方案一慢，但应快于方案二，适合为矿井后期回采底部煤炭做技术准备。

缺点：由于合计综放高度11 m，方案三产量约为方案二的2/3，工作面单产相对较低。但后期也可形成两个综采面开采，不但能够满足矿井达产要求，也避免了因单一工作面遇断层构造等地质因素影响造成的生产困难。

综上所述，方案三兼顾方案一和方案二的优点，相比方案一、方案二具有更好的抗冲击能力，有利于矿井防冲的管理和工作面的正常回采，提高了巷道支护强度和巷道稳定性，有利于开展冲击威胁的综合防治和规律研究，是一种更为优化的采面层位布置形式。

4 结语

通过对陕西彬长集团孟村煤矿3种巷道层位布置方案的技术比较，最终采用方案三进行层位布置，将顶板支护选用的φ21.8 mm×7 100 mm锚索变更为φ21.8 mm×8 800 mm锚索。同时，上提巷道顶板层位，使锚索深入砂质泥岩顶板不少于1.0 m，保持巷道顶部支护跟随煤层顶板施工。方案三更有利于抵抗冲击地压威胁，是一种更为安全、合理的采面层位布置形式，可以在此基础上开展基于顶板对抗冲击地压的支护理论分析。