东曲矿28206 工作面底板抽放巷的优化设计研究

李伟炜

（山西西山矿业管理有限责任公司，山西 太原 030053）

0 引言

随着国家对煤矿防突工作的不断加强，针对突出矿井，一般采用底板抽放巷对工作面实行区域预测和区域防突措施的执行。由于煤巷掘进工作面主要采取顺层钻孔预抽煤巷条带区域防突措施，顺层钻孔存在抽采浓度衰减速度快、抽采效果不理想等缺点，特别是在贯通巷道剩余60 m 的贯通范围内，存在瓦斯压力、地应力非常集中的问题，导致顺层钻孔施工非常困难，施工周期长。为消除工作面突出危险性，确保巷道安全贯通，不得不采取新的消突技术措施[1]。本文以东曲矿28206 上底抽巷为例，对底抽巷设计优化方向进行探讨研究。

1 矿井概况

东曲矿位于山西省古交东南，井田面积为57.9km2，年设计生产能力为400 万t，主要可采煤层为山西组2 号、4 号煤和太原组8 号、9 号煤。28206 工作面可采走向长690 m，上底抽巷设计工程量628 m。底抽巷层位布置在距煤层10～15 m 位置较为稳定的岩层中。巷道采用锚网喷支护，锚杆采用Φ20 mm×2 000 mm 的螺纹钢锚杆，间排距均为800 mm，喷厚50～100 mm。采用直墙半圆拱断面，净宽4.2 m，净高3.5 m，净断面面积12.8 m2。

2 底抽巷优化方向选定

2.1 工作面施工工期的选择

工作面施工工期的长短直接影响矿井生产是否高效。28206 工作面的施工总工期（t）可分解为车场施工工期（t1）、底抽巷施工工期（t2）、防突措施工期（t3）、煤巷施工工期（t4）共4 个部分，用公式表达为：

式中：t0为各工序间的平行作业时间。因为各工序间存在互为基础等原因（即没有车场无法施工底抽巷和煤巷、防突措施未完成无法施工煤巷、防突措施需要在底抽巷内施工），通过分析可知，增加底抽巷施工时间与防突措施间的平行作业时间将会大大缩短总工期。

2.2 底抽巷层位的选择

通过选择底抽巷层位可以缩小钻孔工程量。钻孔工程量的大小应根据煤厚等地质情况确定，因为是在底抽巷内施工，因此底抽巷距煤层间距将直接影响到岩孔的施工长度。缩小岩孔施工长度可明显提高钻孔利用率、减少钻孔施工时间，进而缩短防突措施时间。

3 优化内容

3.1 巷道功能优化

要保证巷道功能最优化要尽量实现一巷多用。28206 上底抽巷设计功能为通过底抽巷探查工作面瓦斯含量和瓦斯压力，并执行区域防突措施。根据工作面情况及巷道施工位置，通过增加底抽巷内少量工程可额外实现如下功能：超前探查工作面地质情况，为工作面回采巷道布置和工作面回采打好基础；通过底抽巷对工作面进行底板注浆加固等防治水工程。需增加工程内容仅为在底抽巷口建立排水阵地，增加的工程量较小，却可大大提高工作面的抗突水灾害能力。

3.2 巷道布置相关选择

巷道布置主要对层位选择、支护类型、巷道位置等情况进行综合考虑，从而选定最优方案。

考虑到巷道的主要功能，应将底抽巷布置在工作面附近。除考虑底抽巷整个工作面的防突工作外，还应尽量考虑掘进期间防突问题，因此可将底抽巷位置布置在偏向顺槽位置。

底抽巷层位选择在稳定岩层中。原设计方案：28206 工作面开采煤层为二1 煤层，煤层下方稳定岩层为L7 灰岩，煤层平均厚度为14 m，岩层平均厚度为7 m，灰岩本身普式硬度系数为6～10，强度较高。因此选定层位为L7 灰岩上部将有利于巷道的稳定，减小支护难度，但距离煤层较远，局部可达到17 m，不利于消突钻孔施工。优化设计方案：将巷道布置在L8 灰岩下部，巷道直接顶为L8 灰岩，平均厚度为2 m，且裂隙发育较完全，因此需采取适当的支护措施。

巷道位置优化后的优点：巷道掘进期间顶板控制难度降低，可充分利用围岩自身强度，通过支护理论计算适当降低支护强度，进而节约材料成本、人工成本及缩短施工时间；当巷道顶板为L8 灰岩时，巷道内约有1.5 m 左右的泥岩，巷道下部为L7 灰岩。因泥岩硬度系数低于灰岩，因此可节约掘进工具使用量，减少工具损耗，进一步降低巷道掘进成本，减少后期维护工作。巷道位置优化后缺点：不利于巷帮控制，易造成巷道断面受压变小等现象；防止误揭煤层。

根据上述优化条件需进一步优化巷道断面。为充分利用围岩稳定性，如仍采用半圆拱支护，势必在巷道拱形部分存在泥岩巷顶，因泥岩与灰岩胶结性差，易造成巷道顶板不稳定，因此将巷道断面由半圆拱形式优化为梯形形式的岩层布置，这将有利于主动支护。

喷浆厚度根据优化后的断面进行调整。考虑底抽巷使用周期较短，原设计喷砼覆盖巷道可修改为喷厚以覆盖钢筋网为准，且不再对下部L8 灰岩部分喷浆，直接利用围岩自身性能控制巷道变形。

3.3 缩短工期举措

为缩短掘进工期，增加了掘进与防突钻孔施工的平行作业。因掘进期间必须进行超前地质钻探，控制前方地质情况，每次掘进60 m 大概需打钻3 d，全巷道预计影响时间为30 d。为解决这个问题采取的措施为在巷道附近开设钻场打钻，在预留足够超前距的情况下，在钻场内打钻不影响迎头掘进，此举可将28206上底抽巷施工时间缩短1 个月，预计施工9 个钻场。

原设计防突措施孔施工在底抽巷内，需将巷道施工完毕后才能施工，考虑掘进期间将要施工的钻场，可在钻场内施工穿层钻孔。如果在钻场内施工超前钻孔，则会使底抽巷断面进一步缩小，缩小断面将有利于提高掘进速度、减少工程成本。

优化断面后，如果仅依靠超前钻探所需钻场，将人为增加防突钻孔岩孔施工量。为减小岩孔施工量需增加钻场数量，经过模型模拟及现场实验，最终将钻场间距确定为30 m，规格优化后的钻场尺寸为4 m×3.5 m×4 m（宽×高×深），满足打钻需求。

影响巷道掘进速度的重要因素还有出碴时间。因利用主煤流系统出碴可大大提高出碴速度，但需要保证煤与矸石分装分运；由于工人操作水平不统一、现场地质条件多变等因素，很难保证掘进头出碴时间与主煤流允许出碴时间相一致。为解决此矛盾，在底抽巷内增设平碴仓，平碴仓尺寸为25 m×2 m×1.5 m（长×宽×深），设计容量75 m3，可至少满足一班的矸石存放量，通过主煤流系统运送至平地。

4 穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施

底板抽放巷内错于被掩护煤巷平距10 m，法线距离10～15 m，掘进过程中在底板抽放巷钻场内施工钻孔。钻孔开孔间距400 mm，孔底间距（沿煤层面）10 m，控制掘进巷道煤层走向、倾向各15 m（缓倾斜或近水平煤层）范围。底板抽放巷掘进结束后，在巷帮每隔6 m 处再次施工强化抽采钻孔。穿层钻孔施工期间采取水力冲孔增透措施。高压（大于25 MPa）水从钻头上的出水口喷射而出，冲击钻头周围的煤体，配合钻机的钻进，破碎煤体。在底板抽放巷穿层钻孔大面积预抽基础上采取水力冲孔增透技术，延长了钻孔衰减周期，提高了抽放浓度及抽放量。在28206 中顺槽剩余63 m 贯通范围内采取穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施，在28206 上底板抽放巷内施工穿层钻孔114 个，增透卸压钻孔44 个，块段卸煤量为525 t、卸煤率为10.6‰、每米煤孔卸煤量0.16 t/m。累计抽采瓦斯量14.54 万m3，抽采率为48.62%，煤层残余瓦斯含量最高为4.98 m3/t。

5 优化前后效益分析

1）通过对比计算，巷道直接成本减少386 元/m，同时，每30 m 需新增1 个钻场，折合材料费用193 元/m，实际节约巷道材料费用193 元/m。

2）根据目前掘进水平，底抽巷原施工速度90m/月，优化后实现120 m/月，可减少施工工期1.75 个月。施工此巷道的工程队伍单日平均出勤为52 人，据此计算本条巷道共计可节约工数2548 工，平均工值为232 元。可节约人工成本232 元/工×2 548 工=59.1 万元，折合成本941 元/m。

3）在上底抽巷内施工防突措施钻孔可平均减少钻孔长度15 m，在28206 上底抽巷内预计需施工探测钻孔80 个、卸压钻孔150 个，根据顺层钻孔单价100 元/m、穿层钻孔单价150 元/m、卸煤量400 元/t。钻孔预计可节约资金51.75 万元，折合824 元/m。

4）经以上分析计算得出，优化设计后施工底抽巷可节约成本：193 元/m+941 元/m+824 元/m=1 958 元/m。同时缩短巷道施工工期可有效解决矿井采掘接替紧张局面，同时可有效防止小断面围岩变形严重问题，降低维修成本。

6 结语

对工程设计阶段进行优化能够大幅度提高工程效率、减少施工时间、降低施工成本。在底抽巷设计阶段，能够通过设计内容为后期施工及应用提供便利，能够实现较大的直接效益和社会效益。通过对底抽巷设计优化在实际中的应用情况进行分析，提出了设计优化方向，并在实际应用中取得了显著的效益。