上行無煤柱走向長壁跨上山連續采煤法的研究與運用

許多康 郭正文

（1.重慶煤監局統計中心，重慶 401121；2.重慶能投渝新能源有限公司紅巖煤礦，重慶 400800）

1 概況

紅巖煤礦始建于1958 年，1965 年投產，隸屬于重慶能投渝新能源有限公司。礦井為單一煤層開采礦井，所采煤層為二迭紀龍譚煤組之底部6#（K1）煤層,厚度1.2～2.5 m，平均厚度1.8 m。煤層頂扳為頁巖，其中偽頂為0.5 m 厚的灰質頁巖，直接頂為10 m 厚的灰黑色頁巖,含硫鐵礦結核；煤層底板為2.3 m 厚的灰白色鋁土頁巖和3.4 m 厚的雜色角礫巖，再下為茅口灰巖。井田內共劃分為紅巖區和叢林區，其中，紅巖區為急傾斜煤層；叢林區又以叢林向斜軸部為界劃分為叢林南區和叢林北區，分別為緩傾斜煤層和傾斜煤礦。礦井水文條件復雜，為全國罕見的大水礦井之一，煤系頂底地層分別為強含水性的長興灰巖和茅口灰巖，近5 年生產水平平均涌水量1279.8 m3/h，最大月均涌水量2131 m3/h。礦井絕對瓦斯涌出量36.43 m3/min,相對瓦斯涌出量33.14 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井，煤塵具有爆炸性，開采煤層自然發火等級Ⅱ類。

紅巖煤礦采用平硐+暗斜井開拓，水平垂高為180 m。現生產水平為三水平，共劃分5 個采區。其中叢林南區1 個，采區走向長為2200 m，回采面傾斜長170 m；叢林北區4 個，走向長1000 m，采面傾斜長170 m。原采用走向長壁區內后退式采煤法，自上而下逐段回采，區段巷道為雙煤巷布置，分別為機巷和下段風巷。采區主干系統布置在煤層底板灰巖中，距煤層平均距離設計為15 m。主干系統和區段巷道采用運輸石聯系，石門兩翼和區段煤柱設計15 m。

2 原布置方式和回采順序存在主要問題

2.1 工作面水害嚴重制約安全生產

回采工作面水源來自采空區，下行開采使采空區內的積水一部分由區段煤柱間的聯絡巷直接進入回風巷和工作面，另一部分從工作面頂扳裂隙以淋水和滴水的方式在回采工作面下部30 m 內出現。在豐水期間，采面涌水量曾高達70 m3/h。生產時工作面煤水混運，沖壞運輸系統，堵塞巷道，機運事故中有80%是由于水害造成。同時因水害經常誘發頂板事故，對工作面生產安全造成嚴重威脅。

2.2 風巷施工導向困難

礦井地質構造復雜，工作面布置時，必須先布置出下段風巷。風巷沿煤層等高線布置在煤層內，控制腰線施工，當煤層走向發生變化時，也只能在煤層內順著煤層走向發生彎曲。同時，由于煤層小斷層發育，當控制腰線施工的風巷掘進遇到構造時，很難確定方向，巷道要么轉入頂扳，要么轉入底扳，造成巷道報廢，且增大煤與瓦斯突出風險。

2.3 煤柱損失大

為保證下段工作面風巷的順利掘進，需保留不小于15 m 的隔水煤柱。當煤層走向發生變化時，使得區段煤柱長短不均，原雙煤巷布置工作面的區段煤柱，局部地方煤柱達到40 m，遠遠超過設計區段煤柱的15 m，造成了資源的極大浪費。

3 采煤方法的改進

一是將區段巷道“雙煤巷”布置改成“一煤一巖”布置，巖巷布置在底板茅口灰巖內，作運輸、抽放巷和排水巷；二是回采順序由下行改進為上行開采，在回采時同時對上煤層巷道（回風巷）采用沿空留巷的方式進行無煤拄護巷，作為上段回采工作面的機巷，即上行無煤柱走向長壁跨上山連續采煤法。

3.1 巷道布置

改進后采區按雙翼布置，主干系統布置在煤層底扳巖石，距煤層垂距20～30 m；區段巷道在煤層內布置一條定向掘進的煤層巷道，采用“錨網梁”聯合支護，負責工作面通風、行人、運煤等；底板抽放巷，負責排水、瓦斯抽放、運煤等。底扳抽放巷和煤巷用巖石斜巷聯系，主體上山用石門和底扳抽放巷聯系，工作面等長布置，長度設計為150～200 m。如圖1 所示。

圖1 上行無煤柱走向長壁跨上山連續開采示意圖

3.2 采掘順序

先掘采區主干系統，形成采區通風系統后，開始從末段由采區中部向兩翼布置，到一翼邊界后布置開切眼，然后由下而上逐段布置。回采由下而上從切割開始同向跨上山連續開采到另一翼邊界(下一段采過上山位置，上一段就可以進入同向回采）。這種采掘部署可全部實現區段無煤柱和跨上山無煤柱連續開采，節約一條開切眼，減少一半工作面搬家、初放、收尾等工作量。

3.3 回采工藝及工作面設計能力

采用綜合機械化采煤， 工作面采用MG200/468-WD 型采煤機和SGW-150C 型刮板輸送機，支護用ZY3300/12/30Q 型液壓支架，液壓支架初撐力不低于26 MPa。工作面最大控頂距為5.9 m，最小控頂距為5.3 m，放頂步距為0.6 m，端面距不大于530 mm，全部垮落法控制頂板，采空區隨支架前移自行垮落充填，實行“兩采一準”的作業形式，工作面設計能力25 萬t/a。

3.4 主要技術措施

（1）定向掘進技術。底板抽放巷控制中線和腰線定向施工，煤巷控制中線定向施工，煤、巖巷互為導向，底板抽放巷以茅口十層（Pm10）和九層（Pm9）交界面作為巷道轉向標志層。在實踐中，一是加強地質工作，隨時掌握層位變化和煤層產狀變化情況，要求每旬收集巖層產狀并進行定期分析；二是加強測量工作，按照定向設計要求每月至少2次對所掘巷道進行測量，以便準確掌握巷道的實際位置和分析煤、巖巷的相對高差，發現問題及時修改巷道的方位；三是及時調整煤、巖巷定向的長度，防止底板抽放巷遠離煤層或距煤層較近，要根據地質和測量資料合理地調整定向長度，使煤、巖巷始終處于最佳位置關系。

（2）沿空留巷技術。一是對煤巷超前加固，在工作面前方15 m 開始對煤巷原錨網支護進行補打加固或者架廂加固；二是留小煤墩護巷，采用在工作面上隅角留煤墩作沿空留巷的巷幫支護，其煤墩參數根據煤礦實際確定傾斜長度為3～5 m，走向每4～6 m 掘一個矩形安全出口；三是滯后維護，主要是在工作面后方50 m 范圍對巷道進行維修，對失效支護、冒頂、片幫等及時修復。

（3）工作面瓦斯治理技術。采用穿層水力壓裂增透技術對預抽回采區域煤層增透，水力壓裂增透技術實施后，采用穿層網格鉆孔預抽回采塊段煤層瓦斯，穿層鉆孔孔徑不小于Φ75 mm，走向和傾向終孔間距不大于25 m。回采面形成系統后，在機巷和風巷向工作面中部實施順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯，施工鉆孔孔徑不小于Φ94 mm，順層鉆孔孔間距不大于8 m，鉆孔盡可能上下相交。

4 應用效果

該研究最早用于紅巖煤礦+180 m 水平2606 采區巷道布置和試采，產原煤296.4 萬t。截至當前，已在3604、3601、3603、3605 等采區進行推廣應用。

4.1 上行開采徹底消除了水害

上行開采工作面未出現頂板淋水和水煤混運等現象，頂板水和采空區水通過下部的抽放巷排出，工作面回采過程中水害得到了有效治理，消除了下行開采中難以治理的采空區水患，保證了工作面的正常安全生產。

4.2 實現了無煤柱護巷

為證明沿空留巷成功，在3604 三段結束1.5a 后，對所護煤巷每10 m 收集一個斷面參數，計算平均巷寬3.0 m，凈高2.4 m，凈斷面積5.74 m2，巷道斷面收縮率8.94%。另對3605 二段回采巷道和護巷進行礦壓觀測，機巷頂板最大離層僅12 mm，風巷頂板最大離層為0，沿空護巷頂板最大離層為35 mm，巷道變形頂板下沉最大21 mm，底板底鼓最大8 mm，兩幫移近量最大19 mm，見表1。

表1 2020 年紅巖煤礦3605 二段采煤工作面巷道礦壓觀測記錄表

4.3 抽放效果

采取全程下套護孔、“兩堵一注”帶壓封孔技術、“一孔一管一閘閥”固定抽采模式，取得較好效果。順層鉆孔單孔抽采純量由原來的0.021 m3/min 增加到0.031 m3/min，瓦斯抽采單孔純量增長1.5 倍；穿層鉆孔抽采純量由0.023 m3/min 增長到0.044 m3/min，瓦斯抽采單孔純量增長1.9 倍。

4.4 經濟效益

一是從實施無煤柱走向長壁采煤法以來，已安全產出556.3 萬t 原煤；二是用小煤墩進行沿空留巷經濟、可靠，護巷成本僅為118.3 元/m；三是提高資源回收率，采區回收率由80%提高到了95%；四是萬噸掘進率下降36.2 m/萬t，減少井巷工程量2 萬余米。

5 結 語

上行無煤柱走向長壁跨上山連續采煤法，沿空巷道穩定，變形小，受采動裂隙水及采空區水患影響小，實現無煤柱開采且成本低廉，安全性高。該采煤方法為地質構造復雜、水害嚴重的礦井提供了一種新的開采方案探索。