相邻采空区巷道布置与支护设计

燕杰星，左迎光，宋耀楠

(国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿生产技术部，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿31采区3-1厚煤层位于延安组的中部，平均埋深363.2m，煤厚2.05m～7.15m，平均5.25m，煤层倾角1°～3°，煤层最下部夹有1-2层夹矸(岩性为泥岩、砂质泥岩)；基本顶为细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩、粉砂岩，厚度7.03m～33.66m，平均22.04m；直接顶为1.6m～8.95m的砂质泥岩、泥岩；伪顶为0～0.4m的砂质泥岩、炭质泥岩；直接底为0.5m～2.0m的泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩(其中高岭土岩层厚度0.4m～0.8m不等)，遇水易膨胀、泥化，采掘时均预留0.5m以上的底煤。参照《缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类》(MT554-1996)和煤层顶板岩性综合分析3-1煤层顶底板情况：煤层直接顶为1b，属不稳定顶板；基本顶的初次来压当量平均值为1 113.89KN/m2，属Ⅳa级；煤层底板较软。

3-1厚煤层布置厚煤层综采面，煤层内采用连续前进式开采顺序；综采面采用走向长壁式采煤法，后退式采煤，采用大采高一次采全高综合机械化采煤工艺，自然垮落法管理采空区顶板。

1 综采面巷道布置方式和回风顺槽设计

1.1 厚煤层综采面巷道布置方式

厚煤层综采面采用三巷布置方式，分别是回风顺槽、胶运顺槽和下一个综采面的回风顺槽，见图1。

如图1所示，31313胶运顺槽为进风巷，31313回风顺槽为回风巷；其中，31313回风顺槽在经受了相邻的31311综采面回采动压影响后矿压显现明显，底板底鼓频繁，不利于布置设备列车和特种车辆辅助运输，所以设备列车和单轨吊管线吊挂装置均布置在31313胶运顺槽内，并与31313胶运顺槽内靠近综采面开采帮的带式输送机平行布置；在31313综采面回采期间，31315回风顺槽兼做31313综采面的辅助运输通道，属于进风巷；而在31315综采面回采期间，31315回风顺槽则作为31315综采面的回风巷。

图1 31313综采面三巷布置示意图

1.2 采掘接续说明

《煤矿安全规程》第一百五十三条规定，“矿井在同一煤层、同翼、同一采区相邻正在开采的采煤工作面沿空送巷时，采掘工作面严禁同时作业”。

31采区3-1厚煤层南翼，煤层内各综采面之间的开采顺序为连续前进式。因此，综采面回采作业前，其附近的掘进作业必须提前完成。如图2所示：31313综采面回采之前，需要提前4个月完成31313切眼掘进事宜，需要提前3个月完成31315回风顺槽掘进事宜，然后31313综采面依次进入准备期、安装作业期和初采期；早结束的掘进队依次开展31315备采面的胶运顺槽、联络巷和切眼的掘进事宜，后结束的掘进队则依次开展31315备采面开口段巷道、31317回撤通道、31315回风顺槽等掘进事宜；31313综采面初采前，需安排一支小队，超前31313综采面采动动压影响范围之外进行31315回风顺槽加强支护，31313综采面回采结束后接续31315综采面。

图2 3-1厚煤层局部采掘接续示意图

1.3 回风顺槽设计

采用三巷布置的厚煤层综采面，回风顺槽底板留煤厚度0.5m；回风顺槽要先后服务于相邻的两个综采面，即先后要经受两次综采面采动动压影响，这对断面支护强度的要求比较高。而为了加快掘进速度，回风顺槽支护强度一般分两次来达到设计要求：①掘进支护设计，只要满足掘进支护的需要即可；②锚索加强支护，进一步提高支护强度。掘进支护设计简单，掘进速度就提高了，这对保证采掘接续平衡比较有利，如31317回风顺槽原支护设计，见图3、图4，总的单米巷道成本约3 781.6元(见表1)。

图3 原31317回风顺槽掘进支护断面

图4 原31317回风顺槽加强支护断面

1.4 存在的问题

3-1厚煤层直接底较软，遇水又易膨胀、泥化；回风顺槽掘进留底煤厚度仅0.5m，巷道底板抗底鼓强度较低。掘进活动作用效果：①大型掘进设备会对底板造成不同程度的碾压破坏；②围岩压力重新分布，致使最为薄弱的巷道底板频繁底鼓；③巷道底煤隔水层遭受破坏，淋水顺着裂缝进入，并对直接底形成浸泡状态。这样一来，回风顺槽频繁底鼓且底板泥化严重，无法施工砼底板，无轨胶轮车辅助运输也比较困难，回采期间超前支护范围单体液压支柱钻底也比较严重，综采面机尾侧端头液压支架下陷也比较明显。

煤层平均厚度5.25m，巷道底板留煤0.5m，巷道设计高度4.0m，则顶板留煤厚度多在0.75m以上，顶三角煤过厚。该矿厚煤层综采面采用了顶三角煤回收工艺，较好地减少了端头顶三角煤的损失量。但是，巷道顶板留煤厚度越大，顶三角煤损失量就越大。不仅如此，过渡支架处综采面中部顶板与端头支架顶板之间的错台也会因顶板留煤厚度的增加而增大，错台处端头支架顶梁的空顶现象也会因此更加明显，这对综采面端头顶板管理也较为不利。

表1 优化前材料消耗量和单米成本

二次组织人员开展回风顺槽加强支护作业，人工及加强支护辅助设备设施等投入事倍功半，成本高而效率低。

先后两次支护作业，仅锚索支护密度就高达3根/m；顶板加强支护锚索与顶板一排掘进支护锚杆处于重叠状态，被重叠的一排掘进支护锚杆作用显著降低。回风顺槽两次支护作业，支护材料投入大而矿压显现依旧明显，巷道底板仍频繁发生。

2 优化回风顺槽设计

2.1 优化回风顺槽在煤层中的位置

针对3-1厚煤层直接底的特性，确定回风顺槽在厚煤层中的位置关系时需要重点考虑3个方面：①底板留煤厚度要起到较好的隔水效果，不至于遭受掘进机械频繁碾压后失去隔水效果；②通过增加底板留煤厚度来提高底板抗底鼓强度，以提高巷道底板的稳定性；③留有适当的顶煤，以方便掘进期间的顶板管理。该矿最终将顶板留煤厚度限制在0.5m以下，巷道高度由原设计的4.0m降低至3.7m，巷道宽度由原设计的5.2m减少至5.0m。

2.2 优化回风顺槽支护设计

参照回风顺槽断面数据，锚杆、锚索的支护参数和支护材料的计算结果：锚杆长度应不小于2.54m，锚杆直径应不小于20.1mm，锚杆间排距应不大于1.435m，锚固力不小于100kN；锚索长度应不小于3.74m，锚索直径应不小于10.1mm，锚索间排距应不大于4.51m，锚索预紧力不小于150kN。据此，该矿最终确定了回风顺槽锚杆、锚索支护参数和支护材料选型，如优化后的31317回风顺槽支护设计(见图5)，单米巷道成本约2 512.9元(见表2)。

图5 优化后的31317回风顺槽断面

而增加回风顺槽底板留煤厚度之后，并不会增加底三角煤的损失量。综采面回采期间，采煤机截割机尾底三角煤时，要使综采面中部底板与机尾处底板保持一致即可。这样一来，不仅机尾底三角煤得到了充分回收，而且机尾底三角煤损失量也降到了历史最低水平。

表2 优化后材料消耗量和单米成本

3 效果对比

回风顺槽底板留煤厚度多在1.0m以上，底板抗底鼓能力提高了，底板隔水性能、抗碾压破坏能力也都有了保障，巷道围岩的稳定性也就有基础保障。

刨除原设计中的砼底板成本后，巷道掘进成本仍减少了443.9元/m，人工劳动强度降低了，作业环境改善了，掘进速度也就有了保障和提高。

先后经历两次综采面采动动压影响后，回风顺槽矿压显现一般，总的平均底鼓量一般不超过0.5m，平整后即可恢复巷道辅助运输功能。综采面回采过程中，单体液压支柱不再钻底，端头支架也不再下陷。

显著降低了综采面机尾侧顶、底板三角煤的损失量，即机尾侧顶、底板三角煤回收量增加了4.75t/m。

4 结束语

由国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿自主优化完成的回风顺槽在厚煤层中的位置关系，能够有效提高底板抗底鼓能力、底板隔水能力、围岩稳定性以及机尾侧顶、底板三角煤的回采率。其优化后的回风顺槽一次性断面支护参数和支护材料选择，降低了掘进人工劳动强度，改善了作业环境，提高了掘进速度，掘进成本降低了443.9元/m，达到了事半功倍的效果。其中的回风顺槽在厚煤层中的位置关系已申请了国家实用新型专利(“一种顺槽巷道在厚煤层中的布置结构”，专利号ZL201921658429.4)。该回风顺槽优化设计技术，可供具有相同需求的井工煤矿及相关企业应用参考，直接经济效益和间接经济效益都非常明显。