连采连充技术巷道布置及充填条带参数确定

焦若珂

(山西潞安矿业(集团)有限责任公司 古城煤矿，山西 长治 046100)

1 项目背景

司马煤业位于山西省长治市西南部，沁水煤田长治勘探区的东部边缘地段，矿井工业场地位于上党区苏店镇西申家庄村西北侧、经坊煤矿铁路专用线以东的开阔地上，北距长治市区约8.5 km，南距上党城区约4 km.

经过多年开采，司马煤业资源枯竭问题日益严重，建(构)筑物压煤资源解放问题就提上了议事日程。该矿全井田3号煤层资源量2.04亿t，其中建(构)筑物及其保护煤柱压覆资源量约1.45亿t.若能通过绿色开采技术将建(构)筑物所压覆的3号煤层资源量释放出来，则能够大幅度地延长3号煤层的服务年限。

连采连充开采技术是在传统的巷式充填开采技术基础上发展成熟起来的一种煤炭开采技术，工艺流程是将长壁工作面划分为等宽的条带，采用综掘机间隔开采条带，再间隔充填固(膏)体材料[1]。司马煤业预采用连采连充开采技术来解决村庄压煤问题。

2 连采连充工作面的位置选定及巷道布置

2.1 连采连充试验区域的选定

结合开拓部署和煤质情况，该矿将一采区作为充填试验区域，首个连采连充工作面为1116工作面，位于一采区1101工作面(已回采)南侧，工业场地保护煤柱的东侧，3号煤层风氧化带的西侧。

1116连采连充工作面对应地表：南部55.443 m为西申家庄矸石砖厂；东南侧与城际快车道的最小距离仅35.926 m；地表还敷设有排水箱涵管路。经计算，工作面资源储量为202.84万t.

2.2 采区准备巷道布置

从矿井3条开拓巷道(辅助回风巷、轨道大巷、胶带大巷)向西延伸出3条准备巷道，自北向南分别为一采区辅助胶带巷Ⅰ段、一采区辅助回风巷Ⅰ段和一采区辅助轨道巷Ⅰ段。在这3条巷道的末端南北向布置3条准备巷道的延伸段，分别为一采区辅助胶带巷Ⅱ段、一采区辅助回风巷Ⅱ段和一采区辅助轨道巷Ⅱ段，见图1.

图1 巷道布置图

一采区辅助胶带巷Ⅱ段沿煤层底板布置，一采区辅助轨道巷Ⅱ段和一采区辅助回风巷Ⅱ段沿煤层顶板布置，巷道净间距为35 m.一采区辅助胶带巷Ⅱ段通过一采区辅助胶带巷Ⅰ段与胶带大巷连通，形成主运输系统；一采区辅助轨道巷Ⅱ段通过一采区辅助轨道巷Ⅰ段与轨道大巷连通，形成辅助运输系统；一采区辅助回风巷Ⅱ段通过一采区回风巷Ⅰ段与辅助回风巷连通，构成回风系统。

2.3 1116工作面巷道布置

根据一采区煤层赋存情况、地质构造的分布以及采区巷道布置等影响因素，结合连采连充开采技术的特点，1116工作面巷道采用“W”型布置，即南、北两侧布置工作面运输巷，中部布置工作面回风巷，3条巷道平行布置，其中北运输巷与1101工作面采空区之间净煤柱为10 m.在3条巷道的东部末端布置工作面联巷，将3条巷道沟通。工作面的4条巷道(北运输巷、南运输巷、回风巷、联巷)均沿煤层底板布置。

3 开采条带参数的确定

3.1 1116连采连充工作面开采条带长度的确定

3.1.1 考虑因素

1) 减少掘进机组的拐弯次数，尽量增加支巷的长度。如果支巷太短，掘进机组搬家次数太多，影响生产和工效。

2) 保证掘进机组后部连续运输系统有一定的长度，增加掘进效率。

3) 支巷长度影响吨煤费用，包括掘进费、维护费以及运输费等[2]。

3.1.2 开采条带长度的确定

1116工作面南、北两部分各布置1个开采条带，条带工作面落煤采用综合机械化掘进机组。根据工作面范围内3号煤层底板等高线、条带充填工艺要求等，确定开采条带与工作面回风巷的夹角，夹角确定后条带长度也相应确定。

提出2种布置方案：①开采条带工作面与胶带巷呈45°布置；②开采条带工作面与胶带巷垂直布置。现对两种布置方案进行技术经济比较。

1) 方案1：开采条带与工作面回风巷呈45°布置。

优点：①开采条带工作面开口时，施工难度小，工人劳动强度小且耗时短；②开采条带两端回风巷标高大于运输巷，有利于实施充填作业；③针对具体的充填工作面，采用呈45°布置方式，每条开采条带工作面长度长，则整个充填工作面内开采条带的数量少，有利于采充正常衔接。

缺点：①与垂直布置方式相比，开采条带工作面长度长，运输设备(刮板输送机)需进行搭接，占用设备多，管理难度大；②充填工作面开采初期和收尾时，在工作面联巷和停采线附近存在三角煤。

2) 方案2：开采条带与工作面回风巷垂直布置。

优点：①与呈45°布置方式相比，开采条带工作面长度短，所需运输设备(刮板输送机)少，管理难度小；②充填作业时，一次充填量少，工人作业时间短；③充填工作面开采初期和收尾，在工作面联巷和停采线附近不需留设三角煤。

缺点：①开采条带工作面开口时，施工难度大，工人劳动强度大且耗时长；②针对具体的充填工作面，与呈45°布置方式相比，采用垂直布置时，每条开采条带工作面长度短，则整个充填工作面内开采条带的数量多，不利于采充正常衔接。

经过上述技术经济比较，推荐采用方案1，即开采条带与工作面回风巷呈45°布置，1116连采连充工作面的开采条带长度为141.439 m.

3.2 开采条带宽度的确定

连采连充工作面开采工艺中，直接顶的垮落是工作面开采单元布置的关键。开采空间的顶板可以看作是被两侧煤柱支撑的“梁”结构，由于其开采范围小，煤柱对顶板具有夹持作用，因此岩梁稳定性计算可按“简支梁”考虑[3]，结构模型如图2所示。

图2 顶板简支梁结构模型

梁内最大正应力σmax和最大剪应力τxy为：

式中：h为梁的高度，m；L为梁的宽度，m.3号煤层顶板力学试验结果见表1.

表1 3号煤层顶底板力学试验结果

考虑岩梁内最大拉应力影响的岩梁极限跨度应为：

考虑岩梁内最大剪应力影响的岩梁极限跨度：

式中：F0为安全系数，取2～4；Rt为抗拉强度；Rj为抗剪强度。

4 结 语

综上所述，司马煤业一采区地表建筑压覆区连采连充开采试验，形成的巷道布置和充填条带参数结论如下：

1) 试采区域是通过现有开拓大巷向东延伸出的3条准备巷道，即一采区辅助胶带巷、一采区辅助回风巷、一采区辅助轨道巷，每条准备巷道分Ⅰ、Ⅱ段两段；

2) 1116连采连充工作面巷道采用“W”型方式，即布置4条工作面巷道，北运输巷、南运输巷、回风巷、联巷；

3) 1116连采连充工作面开采条带与工作面回风巷呈45°布置，开采条带长度为141.439 m，开采条带宽度为5 m.