七五煤矿四采区巷道布置设计优化

靖文青 张忠正

（枣庄矿业集团有限责任公司，山东 枣庄 277000）

1 概况

七五煤矿井田内主要含煤地层为太原组和山西组，平均总厚度为262.90 m，可采煤层平均厚度为8.81 m，含煤系数为3.35%，其中主要可采煤层平均总厚度为6.26 m，占可采煤层总厚度的71.08%。2020年，该矿井年生产能力核定为100万t。

四采区位于井田西南部，总体呈一单斜构造，走向NE，倾向SE，南北长度3150～3430 m，东西长度1830～1050 m，面积5.6 km2，井上标高+35～ +40 m，煤层标高为-560～ -830 m，埋深约595～870 m，煤层倾角8°～12°之间。煤层产状、厚度、煤质比较稳定，可采范围内3下煤层厚度约在2.67～3.75 m之间，平均厚度3.34 m。煤层顶板中等稳定～稳定，煤层底板为中等坚固～坚固。四采区采用长壁后退式一次采全高采煤法、综采工艺和全部垮落法进行顶板管理。优化四采区巷道布置，减少掘进工程量，简化掘进系统，对缓解采区衔接紧张具有重要意义[1]。

2 四采区巷道布置及存在问题

2.1 开拓方式

目前，-624 m水平3下煤北五、北一已经基本回采完毕，四采区为接替采区。

四采区的准备方式为下山单一煤层采区，单翼采区布置。南翼大巷延伸到位后，布置四采区轨道下山和运输下山，进行单翼开采。南翼轨道大巷延伸到位后，沿方位角161°18′以3‰坡度施工四采区车场，施工50 m后按照12°下山施工至郭庄断层附近，最后按3‰上坡施工80.3 m底部车场；南翼运输大巷沿原方位按坡度施工至646.5 m后到达四采区煤仓下仓口，在四采区煤仓上口按方位角161°18′以3‰坡度下山施工70 m后，保持方位角不变，按12°下山施工至郭庄断层附近通过水平联络巷与轨道下山贯通，形成通风、运输、行人系统。

2.2 采区巷道布置

2.2.1 采区大巷布置情况

四采区的采区大巷（包括：四采区运输下山、四采区轨道下山）基本避开大断层（郭庄断层H=0～80 m∠70°）设计。采区大巷运输巷以15°角为主、轨道巷以13°角斜向下布置。大巷与最大水平主应力方向约为22.7°夹角。

2.2.2 工作面顺槽布置情况

四采区工作面顺槽（包括：切眼、轨道巷和运输巷）避开大断层布置，两顺槽整体上平行布置，最大水平主应力方向约为40°夹角。

2.3 采区巷道布置存在问题

（1）采区内存在断层较发育，大巷与断层走向存在夹角，设计大巷揭露FX4-13断层、FX11-12断层、WF22断层、郭庄断层等多条断层，揭露断层区域的煤层存在冲击地压风险；

（2）采区大巷向下穿过3下煤层，穿煤段留有底煤，部分区段底煤较厚，存在冲击地压风险；

（3）部分工作面受断层影响，前期进行了调面布置，形成类三角异形形状，特别是3下408-2工作面与邻近先采的3下406、3下407工作面形成三角煤柱，冲击危险性高。

3 采区巷道布置优化

3.1 采区大巷优化与对策

（1）区域内断层发育，应制定详细的大巷过断层方案，同时加强断层区域支护强度和监测力度。在断层段加大锚杆和锚索支护密度，增大锚杆和锚索直径；矿井有注浆经验，可以增加注浆支护；增加架棚支护；根据大巷掘进揭露煤层情况加强支护，在留底煤厚度（大于0.7 m）达到预卸压要求时进行预卸压处理。

（2）采区大巷留底煤段较多。解决方案为：首先调整大巷层位将大巷布置在稳定的岩层中，如放在3下煤层顶板中。其次，调整采区大巷角度，增大斜向下的角度，如：轨道下山前期向下增加2°（斜向下15°），从500～550 m调整为斜向下10°，使大巷位于煤层之下；运输下山前期向下增加1°（斜向下16°），从600～650 m调整为斜向下8°，使大巷位于煤层之下。

（3）调整3下408-2工作面切眼方向和位置，形成同其他工作面一样的直角型；不调整3下408-2工作面切眼方向和位置情况下，应在3下406、3下407工作面采掘期间对两面之间的三角区域进行预卸压处理，以降低冲击危险；在3下408-2工作面掘进期间加强该区域的预卸压和监测。

3.2 采区巷道布置优化

3.2.1 理论分析

（1）巷道应布置在煤层边缘的低应力区

理论和实践表明，采动型冲击地压一般发生在工作面或煤柱应力集中区，其主要形式是巷道周围的煤突然破坏释放能量，从而对巷道造成严重破坏[2]。因此，根据围岩分布规律，合理选择巷道位置是降低冲击风险的主要途径之一[3]。

如图1所示，破碎状态的煤体边缘有一个低应力区。当巷道位于低应力区或布置沿空巷道时，对煤体支护压力的影响较小，围岩应力扰动及其引起的支护压力变化较小。当巷道在高应力区掘进时，会破坏煤的极限平衡状态，极易诱发冲击地压；同时，会大大降低煤体的支承能力，引起围岩应力和支护压力的显著变化，巷道和采空区的集中应力叠加，增加了围岩支承压力和围岩应力的集中度。因此，构成冲击地压的必备条件为集中应力和冲击倾向性，构成冲击地压的充分条件为高应力区巷道。故大幅度降低冲击地压发生的可能性，可将巷道布置在煤体边缘的低应力区内。

图1 巷道位置与支承压力分布

（2）避免巷道近距离平行布置或交叉布置

如图2所示，巷道两侧集中压力作用范围一般为巷道宽度4倍（4B），集中系数k1为2.0～2.5。当巷道采用近距离平行布置时，在巷道间煤体上必然会出现压力叠加。如两巷相距4B，叠加压力集中系数k2可以达3左右。两巷距离越近，压力叠加越严重。因此，近距离平行巷道在掘进或受采动影响后极易发生冲击地压。

图2 两巷近距离平行布置时的压力叠加

如图3所示，巷道交叉布置时，巷道两侧集中压力产生叠加，特别是在锐角部分的煤体上压力集中系数较高，容易引发冲击地压。

图3 巷道交叉布置的支承压力分布

3.2.2 具体布置设计

（1）四采区3下406、3下407、3下408工作面采用小煤柱布置，沿空巷道位于低应力区域内布置，符合冲击地压防控要求。

四采区3下401、3下403、3下405工作面之间，3下408-1与3下408-2工作面之间采用回采100 m、120 m，留设100 m、120 m的条带布置方式，工作面各顺槽在原始应力区域内掘进，符合冲击地压防控要求。

四采区3下408-2与3下406、3下407之间留有三角煤柱，应进行预卸压处理。

（2）减少交叉巷道个数，交叉巷道尽量采用直角布置，尽量减少锐角出现。在保障采掘情况下，尽量减少联络巷数目，减少冲击危险区。四采区工作面两顺槽与采区大巷夹角为70°，工作面两顺槽与切眼夹角为79°、90°，夹角均较大，能够降低冲击危险。

（3）要掌握沿空掘巷的掘巷时机。沿空掘巷应在采空工作面动压影响下的岩层运动稳定后，即应力基本转移后进行。沿空巷道的掘进需要滞后工作面采动一定时间和距离。

3.3 合理煤柱留设设计

3.3.1 理论分析

在开采过程中，遗留的煤柱会受到两侧采空区的影响，导致煤柱的支护压力较高，如图4。

图4 大煤柱和小煤柱的支承压力分布

大条带煤柱压力集中系数可达3～4，小条带煤柱压力集中系数可达4～6。上层剩余煤柱也会向下传递集中压力，影响深度可达100 m以上。因此，冲击地压最容易发生在煤仓附近和煤仓上下的应力集中区，包括煤柱内的巷道、靠近煤柱的工作面(另一侧已被采空)、煤柱下的巷道和工作面。由此可见，本层回采煤柱是产生应力叠加和冲击地压的根本原因，因此，必须采用合理的开采部署将其根除[4]。实践证明，冲击危险煤层中的煤柱有很大的危害。为此，开采设计中尽量不留大煤柱，采用沿空送巷或留巷。

3.3.2 具体煤柱留设

（1）工作面间小（无）煤柱留设

小煤柱留设可以有效减少冲击地压危险性。四采区3下406、3下407、3下408工作面采用5.0 m小煤柱布置。

（2）工作面间宽煤柱留设

四采区3下401、3下403、3下405工作面之间，3下408-1、3下408-2工作面采用100 m、120 m宽煤柱布置。

（3）断层护巷煤柱

采区分割工作面的断层保护煤柱一般留设宽度在50 m及以上，特殊情况下减少煤柱宽度需要做好防冲措施。

（4）大巷间护巷煤柱

四采区运输下山和四采区轨道下山之间设计的大巷护巷煤柱宽度为60 m。根据矿井其他已采和正在开采采区大巷冲击危险和支护情况来看，60 m煤柱能够保证采区采掘期间的大巷安全使用。

（5）停采护巷煤柱

四采区各工作面停采护巷煤柱留设150 m，根据北七采区和南二采区工作面超前支承压力影响范围最大约60 m，150 m停采线保护煤柱宽度远大于超前支承应力影响范围。后续工作面回采期间根据矿压显现和冲击地压监测情况确定具体工作面的停采线位置。

4 结语

根据冲击地压防治原则，进行了四采区布置的分析，优化了采区巷道布置，确定了合理的大巷和断层保护煤柱。优化后的巷道所受动压影响更小，使支护更容易，大量减少维护费用。优化后巷道通风线路更短，有效降低矿井的通风阻力。