邻近断层工作面跨大巷开采方案选择

李树人

（山东宏河控股集团有限公司，山东 邹城 273500）

煤炭资源开采过程中，服务年限较长的大巷，如运输大巷和轨道大巷，一般布置在稳定岩层当中，如细砂岩、粉砂岩等。煤层开采过程中，由于大巷与煤层所处空间层位不同，往往产生跨大巷开采问题。当工作面附近存在断层等地质构造时，跨大巷开采问题变得尤为复杂，面临跨大巷开采可行性和工作面顺槽布置双重难题[1-2]。

以红旗煤矿邻近大型断层的3161 工作面开采为工程背景，论证了跨大巷开采的可行性，设计了开采技术方案，并成功进行了工程实践，对类似条件下的跨大巷开采问题具有指导和借鉴意义。

1 工程地质概况

1.1 工程地质条件

（1）工作面位置

红旗煤矿位于山东省嘉祥县，3161 工作面位于31 采区，在F23 断层以西，31 轨道巷西南，DF1断层以东，F6-2 断层、南翼大巷东北侧，开采区域相对较小。3161 工作面西南侧，南翼带式输送机大巷和轨道大巷位于3 煤层大巷保护煤柱和F6-2 断层防水煤柱下部。工作面布置如图1。

图1 3161 工作面平面位置图

（2）煤层及顶底板情况

3161 工作面开采3 煤层，煤层倾角2°～6°，厚度4.0～4.8 m。根据K6-3 及K6-2 钻孔，顶板岩性以粉砂岩为主，底板以泥岩及细砂岩为主。

（3）地质构造

3161 工作面地质构造较为复杂，位于F23、F6-2、DF1 三条断层中间。F6-2 为大型正断层，工作面位于断层下盘，开采范围内断层倾角约70°，断层落差约80 m。

1.2 工作面开采工程技术难题

根据相关规定：F6-2 断层3 煤层断层防水煤柱50 m，3 煤层大巷保护煤柱30 m。按照上述规定，设计3161 工作面的初步开采方案，工作面的斜长仅为60 m，如图2。

图2 3161 工作面初步设计开采方案

2019 年7 月，山东宏河控股集团有限公司对《山东宏河控股集团嘉祥红旗煤矿有限公司F6、F6-2 断层防隔水煤（岩）柱设计方案》进行了论证，即：F6-2 断层两侧3 煤层可不留设防隔水煤（岩）柱。而原3161 工作面南侧留设的煤柱宽度达80 m，初步设计开采设计方案严重浪费煤炭资源。

由此，在保证安全的前提下，尽可能地加大工作面斜长，以期最大限度地开采煤炭资源是该工作面开采面临的主要问题，尽可能地减小3161 工作面运输顺槽侧的80 m 煤柱。如此以来，将面临以下两个问题：跨南翼大巷开采安全可行性问题；工作面运输顺槽布置位置。

2 工作面跨大巷开采可行性分析

工作面下部南翼带大巷在工作面开采过程中始终受到超前支承压力的影响，超前支承压力对底板产生一定深度的破坏。为保证南翼大巷的安全稳定性，必须保证工作面底板至大巷顶板范围内存在一定厚度的完整岩层[3-4]。

根据邻近3112 工作面开采情况，实测工作面开采底板最大扰动深度为11.2 m。根据图2，南翼带式输送机大巷距工作面煤层底板37.1 m，轨道大巷距工作面煤层底板42.6 m，远大于底板最大扰动深度，认为3161 工作面跨采南翼大巷开采是安全可行的。

3 工作面开采方案设计

根据南翼带式输送机大巷、轨道大巷与3161工作面运输顺槽的空间位置关系，除原有设计方案外，可有以下五种开采技术方案。

3.1 南翼带式输送机大巷外错

将3161 工作面运输顺槽布置在3 煤层大巷保护煤柱内，即减小3 煤层大巷保护煤柱，如图3。

图3 开采技术方案一

3.2 南翼带式输送机大巷与运输顺槽重叠

将3161 工作面运输顺槽布置在南翼带式输送机大巷的正上方，两者重叠布置，实质是3 煤层大巷保护煤柱完全开采，不再留设，如图4。

图4 开采技术方案二

3.3 南翼带式输送内错

将3161 工作面运输顺槽布置在断层防水煤柱内，且在南翼带式输送机大巷和轨道大巷之间，实质就是不留设大巷保护煤柱，且一定程度上减小断层防水煤柱，如图5。

图5 开采技术方案三

3.4 轨道大巷与运输顺槽重叠

将3161 工作面运输顺槽布置在轨道运输大巷正上方，其实质是不留设3 煤大巷保护煤柱，且较大限度地减小断层防水煤柱，如图6。

图6 开采技术方案四

3.5 输送机大巷和轨道大巷均内错

将3161 运输顺槽布置在轨道大巷与F6-2 断层之间，实质是不留设大巷保护煤柱，同时最大限度地减小断层防水煤柱，如图7。

图7 开采技术方案五

4 工程实践

4.1 开采方案经济安全性比较

从经济性（开采煤炭资源量）、技术安全性上对3161 工作面原有和设计的五种开采技术方案进行比较，以确定最优开采技术方案。

（1）经济性

3161 工作面走向推进距离相同，各开采技术方案主要差异体现在工作面斜长上，具体见表1。工作面开采斜长由原有方案的60 m，逐步增加至方案五的140 m。由此，从原有技术方案至方案五的经济性逐步增强。

表1 各开采技术方案工作面斜长

（2）技术安全性

原有技术方案是最安全合理的，但严重浪费煤炭资源。其他开采技术方案最大的区别就是下部南翼带式输送机大巷、轨道大巷与3161 工作面运输顺槽间的空间层位关系：内错布置、重叠布置和外错布置[5-6]。根据矿山压力及送巷理论，一般而言，内错布置优于重叠布置，优于外错布置。

4.2 最优开采技术方案

考虑到F6-2 断层为大型断层，为保证开采期间下部轨道大巷和顺槽的安全性，必须留设一定宽度的断层保护煤柱，且根据已有工程实践，宽度应在20 m 以上，为此确定方案三为最优开采技术方案。

为切实保证下部大巷的稳定性，应尽量保证工作面开采后下部带式输送机大巷位于卸压区内，轨道大巷侧有足够宽的保护煤柱。根据相邻工作面3112 矿压显现规律，设计顺槽位置相对于带式输送机大巷外错5 m，具体见方案三示意图图5。

4.3 工程实践应用效果

当前3161 工作面已回采完毕8 个月，开采过程中，下部轨道、带式输送机大巷顶底板和两帮变形量整体较小，均小于10 mm，在允许范围内，证明采用的开采技术方案是合理可行的。

5 结论

（1）根据工作面底板扰动最大范围11.2 m，远小于工作面底板至下部大巷的距离，确定工作面跨大巷开采是安全可行的。

（2）根据大巷与工作面运输顺槽的空间层位关系，设计了五种可行的开采技术方案，通过经济和技术安全性比较，确定顺槽位置相对于带式输送机大巷外错5 m 为最优技术方案。

（3）开采技术方案现场工程实践效果良好，工作面开采过程中大巷顶板帮和两帮变形量均小于

10 mm。