8.8m超大采高工作面盘区规划与设计要点研究

杨俊哲

(国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315)

近年来随着煤炭开采技术和装备制造水平的不断提高，厚煤层一次采全高工作面的回采高度逐渐从3.5m增大到4.2m、5m、5.8m、7m、8m、8.2m[1-5]。随着工作面采高的增大，生产效率的提高，设备的尺寸也趋于大型化和重型化，综采面的安装和回撤也与之前的大采高综采面表现出明显的不同[6-9]，主要表现在盘区规划设计与综采面的矿务工程施工等方面。结合上湾煤矿1-2煤四盘区超大采高综采面设计和建设情况，对8.8m超大采高工作面盘区规划和设计要点进行研究。

1 工程概况

上湾煤矿1-2煤四盘区位于矿井中部，盘区东西倾向长度4.05km，南北走向长度5.7km，面积23.1km2，煤层标高1030～1086m。盘区煤厚7.93～9.68m，平均厚度9.05m，煤层倾角1°～3°，属较稳定煤层。盘区地质储量2.5亿t，设计可采储量1.82亿t。结合1-2煤四盘区煤层赋存条件，上湾煤矿先后提出大采高一次采全高回采、综采放顶煤回采和分层开采三种回采方案。1-2煤为易自燃煤层，采用分层回采，巷道掘进率高，生产效率低，且上分层的回采遗煤给采空区防灭火管理带来极大安全隐患，从安全性、生产效率及经济效益方面分析，不宜采用分层综采。1-2煤埋藏深度124～244m，埋藏深度浅，煤体硬度大，节理裂隙不发育，煤层中多处区域存在厚度大于300mm的坚硬夹矸，整体冒放性差，顶煤回收率无法保证，采空区遗煤安全隐患大，综放方案也不适宜[10-13]。四盘区煤层赋存稳定，煤体自承能力强，有利于顶板维护，采用大采高一次采全高工艺，资源回收率、生产效率高、经济效益好，且上湾煤矿有丰富7m大采高生产经验，从煤层赋存和生产技术方面考虑，8.8m大采高一次采全高方案为最优方案。1-2煤四盘区共布置12个超大采高工作面，服务年限13a。

上湾煤矿1-2煤四盘区布置超大采高综采面需要解决的主要问题：①上湾煤矿1-2煤四盘区生产系统规划方案制定；②1-2煤四盘区12401工作面切眼宽×高=11.4m×6.3m超大断面煤巷支护参数确定；③12401工作面切眼两端头和平巷的过渡形式。

2 盘区规划与设计要点

2.1 盘区规划设计优化

根据设备配套结果，8.8m综采面配套煤机机身高度4.2m，采用电瓶铲板车运输时，为了保证煤机运输过程畅通，巷道净高不得低于4.8m。当前矿井辅助运输大巷高度最低处4.0m，已不能满足综采面正常安装回撤的需求，需要开掘新的井筒(2#辅助运输平硐)。1-2煤四盘区原规划采用传统的盘区大巷布置形式，即在井田一翼直接布置工作面，从辅运大巷经工作面辅运平巷进行安装[14，15]。当采用传统的盘区大巷布置时，综采工作面安装从工作面辅运平巷进入切眼进行安装。根据设备配套参数，满足8.8m大采高综采面安装的辅运大巷及辅运平巷掘进断面至少为6m×5.1m，需要对在用辅助运输大巷挑顶扩帮才能满足使用要求。辅助运输大巷扩帮工程量大，严重影响矿井正常生产。工作面辅助运输平巷巷道断面大，支护量大，需要进行拉底才能成巷，掘进效率低，且受二次采动时巷道变形严重。此外，为了满足支架搬运车重车通行的要求，需要浇筑300mm厚混凝土底板，相比传统辅运平巷150mm厚混凝土底板，且材料消耗量大，矿务工程成本明显增加。

为了解决辅运大巷断面不能满足大型设备通行需求及辅运平巷掘进断面大的问题，上湾煤矿在1-2煤四盘区中部开掘支架专用巷，优化了盘区生产系统，1-2煤四盘区生产系统布置形式如图1所示。布置方式主要有以下优点：

图1 1-2煤四盘区生产系统布置形式

1)在1-2煤四盘区中部开掘支架专用巷，综采大型设备从2#辅助运输平硐入井后经支架专用巷可以直达工作面切眼，1条巷道可以为四盘区12个综采面的安装、回撤服务，待盘区进行最后一个工作面(12412工作面)回采时还可以做为回风平巷使用，实现了一条巷道多次使用，创新了盘区巷道布置形式。

2)支架专用巷开掘以后，1-2煤四盘区工作面的辅运平巷不再作为综采面安装时的辅助运输通道，其断面尺寸可以从原设计的6m×5.1m缩小为5.4m×4.7m，由于巷道断面变小，巷道支护量及后期矿务工程施工量明显降低，单面可节省人工和材料费用464万元。

3)5.4m×4.7m的巷道断面明显小于6m×5.1m巷道断面，其后期补强支护量小，巷道受二次采动影响时，巷道顶帮围岩稳定性好、易维护。

4)支架专用巷的布置使综采面增加了一个安全出口，提高了工作面发生灾变时的抗灾能力。

2.2 在特厚煤层中超大断面切眼的掘进施工工艺

现有掘进设备无法满足大断面切眼一次掘进成巷要求，遂采取一次掘进高度4.2m，在将切眼全部掘进到位后，再二次统一拉底2.1m，巷道高度达到设计巷高6.3m。

切眼巷道整体分掘进和拉底两部分。掘进又分为6m宽和5.4m宽两个掘进断面(12CM27-11D型连采机截割头宽度为3.5m，掘进6m和5.4m两个巷道断面时，仍分为切槽和采垛两个工序进行)，6m宽掘进断面始终超前5.4m宽掘进断面30m，这两个掘进断面交替掘进和支护，直至切眼掘进到位。循环间锚杆、锚索支护必须紧跟，只有掘进头锚杆、锚索全部支护到位后才能开始掘进下一循环。12401切眼11.4m×4.7m断面巷道掘进到位后，统一拉底1.6m，达到设计掘进断面11.4m×6.3m。

在特厚煤层中掘进11.4m×6.3m的超大断面煤巷，在全国范围内尚无可借鉴的成熟经验。上湾煤矿通过理论计算、工程类比等多种技术手段，确定了合理的巷道支护参数，12401切眼支护断面方案如图2所示。

图2 12401切眼支护断面(mm)

2.2.1 切眼支护强度理论计算[16，17]

锚杆通过悬吊作用，帮锚杆通过加固帮作用，达到支护效果的条件，应满足：

L锚杆≥L1+L2+L3

(1)

式中，L锚杆为锚杆总长，m；L1为锚杆外露长，取0.05m；L2为有效长度，m；L3为锚入岩层内深度，锚杆取0.35m。

普氏免压拱高：

b=[B/2+Htan(45°-ω帮/2)]/f顶

(2)

煤帮松弛破碎深度(松动圈)：

c=H×tan(45°-ω帮/2)

(3)

式中，B为巷道掘进跨度和高度，取11.4m；H为巷道掘进跨度和高度 取6.3m；f顶为顶板岩石普氏系数，f顶取4.3m；ω帮为两帮围岩的内摩擦角，取63.43°。

L2=b=[11400/2+6300×tan(45°-

63.43°/2)]/4.3 =1671mm

c=6300×tan(45°-63.43°/2)=1487mm

依据上述公式计算得出：

顶锚杆长度L顶≥L1+L2+L3=50+1671+350=2071mm。

帮锚杆长度L帮≥L1+L2+L3=50+1487+350=1887mm。

所选顶锚杆长度为2200mm>2071mm，帮锚杆长度为2100mm>1887mm，均能满足设计要求。

按锚杆所能悬吊的重量校核锚杆的间、排距a，每根锚杆悬吊岩体重量：

G=γ×L2×a2

(4)

式中，γ岩体容重(锚杆支护范围为实体煤)，取13kN/m3。

锚杆锚固力Q应能承担G的重量。取安全系数K=1.5。即：KG

a<(Q/KγL2)1/2

(5)

所选顶锚杆的锚固力Q≥59kN，计算得a<1.33m。由于切眼断面较大，顶板控制主要通过锚索控制，所以优先保证锚索支护均匀布置。12401切眼顶锚杆排距1m，W钢带宽度0.23m，如圆钢钢带和W钢带十字交叉处锚杆均匀布置(左右各1.15m)，W钢带会压住顶锚杆。为了避免锚索钢带压锚杆，11根锚杆中有1根间距为1.4m，其余均满足支护要求。

2)锚索支护参数校核，锚索长度校核，应满足：

L=La+Lb+Lc+Ld

(6)

式中，L为锚索总长度，m；La为锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，取1.6m；Lb为需要悬吊的不稳定岩层厚度，取锚杆长度2.2m；Lc为托盘及锚具的厚度，取0.2m；Ld为外露张拉长度，0.2m。

将以上数据代入式(6)计算，得L=4.2m。

考虑到12401切眼煤层平均厚度9.26m，巷道掘进高度6.3m，巷道设计沿底掘进，则巷道平均留顶煤厚度2.96m，从安全角度考虑，取需要悬吊的不稳定岩层厚度为2.96m，利用上部公式得出锚索长度应不低于4.96m，取5m。12401切眼顶板使用锚索长度为8.0m，满足设计要求。

锚索排距校核，应满足：

b≤nF2/[BHγ1-(2F1sinθ)/a]

(7)

式中，b为锚索排距，m；B为巷道最大冒落宽度，11.4m；H为巷道最大冒落高度，m；γ1为8m范围内顶煤以及直接顶平均容重，取21.3kN/m3；a为锚杆排距，取1.0m；F1为锚杆锚固力，取59kN；F2为锚索极限承载力，500kN；θ为角锚杆与巷道顶板的夹角，90°；n为锚索排数，按照最少取2。

代入以上数据计算，锚索排距L≤2.4m，工作面锚索排距最大为2m，经验证，锚索排距校验合格。

2.2.2 现场实施

在12401切眼掘进时制定了专门的安全技术措施，在巷道支护过程中加强现场监管，对顶板锚索实行编号管理，不定期对锚索支护质量进行抽查，保证支护质量。2017年3月12401切眼掘进完毕，2018年3月12401工作面开始安装，历经一年的时间，12401切眼顶帮围岩基本稳定，除切眼调车硐抹角区域有局部片帮、离层采用零星锚索补强支护外，巷道无明显顶帮变形，验证了超大断面煤巷支护的合理性，12401工作面切眼成巷效果如图3所示。

图3 12401工作面切眼成巷效果图

2.3 12401切眼掘进工艺和两端头过渡形式

2.3.1 12401切眼开口掘进工艺

上湾煤矿当前使用的12CM27-11D煤机采高范围2.41～5.0m，为保证连采机高效平稳运行，确定切眼初次掘进高度4.2m。由于掘进队采用的12CM27-11D煤机正常最大割煤高度4.8m，在切眼开口4.7m长度范围内需要根据巷道高程及顶底煤厚度放线掘进。在探好顶底煤的基础上，切眼开口段煤机煤机爬坡掘进，顶滚筒在4.7m长度挑高0.6～0.7m，之后顶板放平，初步拉底降低切眼入口底板坡度，保证顺利延设皮带，最后统一拉底达到设计巷道高度[5]，工作面切眼开口段掘进方案如图4所示。

图4 工作面切眼开口段掘进平剖面(m)

2.3.2 12401切眼两端头过渡形式

由于平巷超前支架最大支撑高度5.5m，所以切眼附近两平巷的掘进高度不得超过5.6m，浇筑0.3m厚底板成巷高度5.3m。工作面采用的采煤机机身高度4.2m，摇臂长度4.33m，煤机最大卧底量0.47m，保守确定煤机摇臂销轴距主运平巷4.7m时割平巷道底板。则此处巷道掘进高度应大于等于底板厚度、机身高度、支架顶梁最大厚度以及设备间隙之和，即大于等于6.05m，切眼距平巷正帮4.7m处拉底后巷道高度6.3m(净高6m)，满足使用要求。不同于普通的4～6m大采高综采面(平巷和切眼高度相同)，8.8m综采面切眼两端头顶板采用倾斜过渡。结合配套设备参数，对机头、机尾段进行通过性拟合得出，当切眼口平巷高度(净高)5.3m，在4.7m长度掘进范围内巷道高度通过顶板过渡为6m，可以满足煤机在机头、机尾顺利通过。

3 工作面安装使用情况

为保证12401综采面煤机、支架等大型设备顺利入井安装，以尺寸和重量最大的大侧护支架为研究对象，对该支架入井、升井及运输拐弯过程进行动态模拟分析，验证其上下坡和拐弯时的通过性，对存在卡阻的区域进行提前处理。

通过实测2#辅运平硐落平段进入支架专用巷区域的巷道平面，每隔15°分析大侧护支架搬运车的状态，对支架车拐弯时的运动轨迹进行分析，得出支架车拐弯时与支架专用巷副帮最小距离为0.2m，巷道满足工作面支架通行的要求。从2#辅运平硐进入支架专用巷时，支架车需要拐大弯，不能紧贴巷道右帮走，才能保证大侧护支架顺利通过，大侧护支架拐弯分析拟合如图5所示。

图5 大侧护支架拐弯分析拟合(m)

在2018年3月，所有综采设备均一次顺利安装到位，未出现任何卡阻。综采工作面两端头煤机割透性、通过性良好，与预分析结果相符。

4 结 语

1)虽然上湾煤矿在用的辅运大巷断面很大，但是不能满足8.8m超大采高综采面设备安装回撤需求。神东煤炭集团上湾煤矿新开掘2#辅运平硐，创新了1-2煤四盘区大巷布置形式，避免了对在用辅运大巷进行扩帮，降低了8.8m超大采高综采面矿务工程施工量和巷道后期维护量，提高了超大采高综采面安装、回撤效率。

2)在特厚煤层中掘进11.4m×6.3m超大断面巷道，在国内外尚无先例。上湾煤矿8.8m超大采高综采面切眼在补连塔矿8.0m大采高切眼的基础上，通过理论计算、工程类比等技术手段，解决了超大断面煤巷的掘进施工和围岩支护问题。

3)正常情况下，综采工作面运输平巷、回风平巷和工作面切眼顶底板采用水平过渡，高度一致。但是为了提高出率，同时降低巷道掘进率，提高掘进效率。综采工作面支架和平巷超前支架支护高度相差3.3m。上湾煤矿结合设备配套参数进行拟合分析，确定了切眼两端头采用顶板倾斜过渡的设计形式，明确了施工工艺；在尽可能降低巷道高度的前提下，保证综采面煤机在机头、机尾的通过性。

上湾煤矿8.8m超大采高综采面的盘区布置形式及综采面的设计思路、掘进工艺，对条件类似的厚煤层的回采设计具有积极的借鉴意义。