七五煤礦四采區巷道布置設計優化

靖文青 張忠正

（棗莊礦業集團有限責任公司，山東 棗莊 277000）

1 概況

七五煤礦井田內主要含煤地層為太原組和山西組，平均總厚度為262.90 m，可采煤層平均厚度為8.81 m，含煤系數為3.35%，其中主要可采煤層平均總厚度為6.26 m，占可采煤層總厚度的71.08%。2020年，該礦井年生產能力核定為100萬t。

四采區位于井田西南部，總體呈一單斜構造，走向NE，傾向SE，南北長度3150～3430 m，東西長度1830～1050 m，面積5.6 km2，井上標高+35～ +40 m，煤層標高為-560～ -830 m，埋深約595～870 m，煤層傾角8°～12°之間。煤層產狀、厚度、煤質比較穩定，可采范圍內3下煤層厚度約在2.67～3.75 m之間，平均厚度3.34 m。煤層頂板中等穩定～穩定，煤層底板為中等堅固～堅固。四采區采用長壁后退式一次采全高采煤法、綜采工藝和全部垮落法進行頂板管理。優化四采區巷道布置，減少掘進工程量，簡化掘進系統，對緩解采區銜接緊張具有重要意義[1]。

2 四采區巷道布置及存在問題

2.1 開拓方式

目前，-624 m水平3下煤北五、北一已經基本回采完畢，四采區為接替采區。

四采區的準備方式為下山單一煤層采區，單翼采區布置。南翼大巷延伸到位后，布置四采區軌道下山和運輸下山，進行單翼開采。南翼軌道大巷延伸到位后，沿方位角161°18′以3‰坡度施工四采區車場，施工50 m后按照12°下山施工至郭莊斷層附近，最后按3‰上坡施工80.3 m底部車場；南翼運輸大巷沿原方位按坡度施工至646.5 m后到達四采區煤倉下倉口，在四采區煤倉上口按方位角161°18′以3‰坡度下山施工70 m后，保持方位角不變，按12°下山施工至郭莊斷層附近通過水平聯絡巷與軌道下山貫通，形成通風、運輸、行人系統。

2.2 采區巷道布置

2.2.1 采區大巷布置情況

四采區的采區大巷（包括：四采區運輸下山、四采區軌道下山）基本避開大斷層（郭莊斷層H=0～80 m∠70°）設計。采區大巷運輸巷以15°角為主、軌道巷以13°角斜向下布置。大巷與最大水平主應力方向約為22.7°夾角。

2.2.2 工作面順槽布置情況

四采區工作面順槽（包括：切眼、軌道巷和運輸巷）避開大斷層布置，兩順槽整體上平行布置，最大水平主應力方向約為40°夾角。

2.3 采區巷道布置存在問題

（1）采區內存在斷層較發育，大巷與斷層走向存在夾角，設計大巷揭露FX4-13斷層、FX11-12斷層、WF22斷層、郭莊斷層等多條斷層，揭露斷層區域的煤層存在沖擊地壓風險；

（2）采區大巷向下穿過3下煤層，穿煤段留有底煤，部分區段底煤較厚，存在沖擊地壓風險；

（3）部分工作面受斷層影響，前期進行了調面布置，形成類三角異形形狀，特別是3下408-2工作面與鄰近先采的3下406、3下407工作面形成三角煤柱，沖擊危險性高。

3 采區巷道布置優化

3.1 采區大巷優化與對策

（1）區域內斷層發育，應制定詳細的大巷過斷層方案，同時加強斷層區域支護強度和監測力度。在斷層段加大錨桿和錨索支護密度，增大錨桿和錨索直徑；礦井有注漿經驗，可以增加注漿支護；增加架棚支護；根據大巷掘進揭露煤層情況加強支護，在留底煤厚度（大于0.7 m）達到預卸壓要求時進行預卸壓處理。

（2）采區大巷留底煤段較多。解決方案為：首先調整大巷層位將大巷布置在穩定的巖層中，如放在3下煤層頂板中。其次，調整采區大巷角度，增大斜向下的角度，如：軌道下山前期向下增加2°（斜向下15°），從500～550 m調整為斜向下10°，使大巷位于煤層之下；運輸下山前期向下增加1°（斜向下16°），從600～650 m調整為斜向下8°，使大巷位于煤層之下。

（3）調整3下408-2工作面切眼方向和位置，形成同其他工作面一樣的直角型；不調整3下408-2工作面切眼方向和位置情況下，應在3下406、3下407工作面采掘期間對兩面之間的三角區域進行預卸壓處理，以降低沖擊危險；在3下408-2工作面掘進期間加強該區域的預卸壓和監測。

3.2 采區巷道布置優化

3.2.1 理論分析

（1）巷道應布置在煤層邊緣的低應力區

理論和實踐表明，采動型沖擊地壓一般發生在工作面或煤柱應力集中區，其主要形式是巷道周圍的煤突然破壞釋放能量，從而對巷道造成嚴重破壞[2]。因此，根據圍巖分布規律，合理選擇巷道位置是降低沖擊風險的主要途徑之一[3]。

如圖1所示，破碎狀態的煤體邊緣有一個低應力區。當巷道位于低應力區或布置沿空巷道時，對煤體支護壓力的影響較小，圍巖應力擾動及其引起的支護壓力變化較小。當巷道在高應力區掘進時，會破壞煤的極限平衡狀態，極易誘發沖擊地壓；同時，會大大降低煤體的支承能力，引起圍巖應力和支護壓力的顯著變化，巷道和采空區的集中應力疊加，增加了圍巖支承壓力和圍巖應力的集中度。因此，構成沖擊地壓的必備條件為集中應力和沖擊傾向性，構成沖擊地壓的充分條件為高應力區巷道。故大幅度降低沖擊地壓發生的可能性，可將巷道布置在煤體邊緣的低應力區內。

圖1 巷道位置與支承壓力分布

（2）避免巷道近距離平行布置或交叉布置

如圖2所示，巷道兩側集中壓力作用范圍一般為巷道寬度4倍（4B），集中系數k1為2.0～2.5。當巷道采用近距離平行布置時，在巷道間煤體上必然會出現壓力疊加。如兩巷相距4B，疊加壓力集中系數k2可以達3左右。兩巷距離越近，壓力疊加越嚴重。因此，近距離平行巷道在掘進或受采動影響后極易發生沖擊地壓。

圖2 兩巷近距離平行布置時的壓力疊加

如圖3所示，巷道交叉布置時，巷道兩側集中壓力產生疊加，特別是在銳角部分的煤體上壓力集中系數較高，容易引發沖擊地壓。

圖3 巷道交叉布置的支承壓力分布

3.2.2 具體布置設計

（1）四采區3下406、3下407、3下408工作面采用小煤柱布置，沿空巷道位于低應力區域內布置，符合沖擊地壓防控要求。

四采區3下401、3下403、3下405工作面之間，3下408-1與3下408-2工作面之間采用回采100 m、120 m，留設100 m、120 m的條帶布置方式，工作面各順槽在原始應力區域內掘進，符合沖擊地壓防控要求。

四采區3下408-2與3下406、3下407之間留有三角煤柱，應進行預卸壓處理。

（2）減少交叉巷道個數，交叉巷道盡量采用直角布置，盡量減少銳角出現。在保障采掘情況下，盡量減少聯絡巷數目，減少沖擊危險區。四采區工作面兩順槽與采區大巷夾角為70°，工作面兩順槽與切眼夾角為79°、90°，夾角均較大，能夠降低沖擊危險。

（3）要掌握沿空掘巷的掘巷時機。沿空掘巷應在采空工作面動壓影響下的巖層運動穩定后，即應力基本轉移后進行。沿空巷道的掘進需要滯后工作面采動一定時間和距離。

3.3 合理煤柱留設設計

3.3.1 理論分析

在開采過程中，遺留的煤柱會受到兩側采空區的影響，導致煤柱的支護壓力較高，如圖4。

圖4 大煤柱和小煤柱的支承壓力分布

大條帶煤柱壓力集中系數可達3～4，小條帶煤柱壓力集中系數可達4～6。上層剩余煤柱也會向下傳遞集中壓力，影響深度可達100 m以上。因此，沖擊地壓最容易發生在煤倉附近和煤倉上下的應力集中區，包括煤柱內的巷道、靠近煤柱的工作面(另一側已被采空)、煤柱下的巷道和工作面。由此可見，本層回采煤柱是產生應力疊加和沖擊地壓的根本原因，因此，必須采用合理的開采部署將其根除[4]。實踐證明，沖擊危險煤層中的煤柱有很大的危害。為此，開采設計中盡量不留大煤柱，采用沿空送巷或留巷。

3.3.2 具體煤柱留設

（1）工作面間小（無）煤柱留設

小煤柱留設可以有效減少沖擊地壓危險性。四采區3下406、3下407、3下408工作面采用5.0 m小煤柱布置。

（2）工作面間寬煤柱留設

四采區3下401、3下403、3下405工作面之間，3下408-1、3下408-2工作面采用100 m、120 m寬煤柱布置。

（3）斷層護巷煤柱

采區分割工作面的斷層保護煤柱一般留設寬度在50 m及以上，特殊情況下減少煤柱寬度需要做好防沖措施。

（4）大巷間護巷煤柱

四采區運輸下山和四采區軌道下山之間設計的大巷護巷煤柱寬度為60 m。根據礦井其他已采和正在開采采區大巷沖擊危險和支護情況來看，60 m煤柱能夠保證采區采掘期間的大巷安全使用。

（5）停采護巷煤柱

四采區各工作面停采護巷煤柱留設150 m，根據北七采區和南二采區工作面超前支承壓力影響范圍最大約60 m，150 m停采線保護煤柱寬度遠大于超前支承應力影響范圍。后續工作面回采期間根據礦壓顯現和沖擊地壓監測情況確定具體工作面的停采線位置。

4 結語

根據沖擊地壓防治原則，進行了四采區布置的分析，優化了采區巷道布置，確定了合理的大巷和斷層保護煤柱。優化后的巷道所受動壓影響更小，使支護更容易，大量減少維護費用。優化后巷道通風線路更短，有效降低礦井的通風阻力。