河南陈四楼煤矿二十采区准备巷道优化布置方案

2018-03-21宋成义

现代矿业 2018年2期

宋成义

(永城煤电控股集团有限公司陈四楼煤矿)

河南陈四楼煤矿为煤与瓦斯突出矿井，采用立井单水平上下山开拓方式[1]，水平运输大巷布置于-440 m水平，大致沿二2煤层开拓，主要运输方式为胶带运输，辅助运输方式为蓄电池电机车运输[2]。矿井现开采二2煤层，平均煤厚2.45 m，属Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘无爆炸危险性，一次采全高。采煤方法为倾斜长壁后退式采煤法和走向长壁后退式采煤法[3]。矿井采用单一水平开采方式，分南北两翼，现开采水平为-600 m水平。采区设有专用回风巷，采用分区通风方式。

陈四楼煤矿于1997年建成投产，目前已开采近20 a，随着矿井连续多年高位运行，开采深度日益增加，生产系统环节渐多，井下水文地质条件日益复杂，采场生产能力逐渐降低，导致矿井采掘接替紧张。二十采区为准备采区，3条下山设计落底水平为-703 m水平，目前二十采区胶带下山及轨道下山均已落底至设计水平并通过联络巷沟通。根据原二十采区开采方案，3条下山落底后布置3条水平集中巷道贯穿整个采区，即二十采区胶带巷、二十采区轨道巷及二十采区回风巷，分别用于胶带运输、轨道运输及采区回风。3条水平集中巷设计长度总计约1 800 m，剩余准备巷道工程量大，无法满足采掘接替需要，如何优化开拓准备巷道布局，尽快形成二十采区生产系统已经成为缓解该矿井下采掘接替紧张的关键性问题。

1 工程概况

二十采区位于陈四楼煤矿北翼，东至北风井保护煤柱，南至F13正断层及八采区边界，西至二2煤层可采边界，北至F18正断层。该采区走向长 863 m，倾向长1 983 m，面积134.16万m2，二2煤上限标高为-670 m，下限标高为-745 m，地面标高为34.68～35.24 m。二十采区地质构造较复杂，整体上是由F18断层和F13断层形成的地堑构造，区内西部发育有轴迹NE—NW向的高六湾向斜构造，地层倾角为3°～17°，平均为8°。该区断裂构造共发育有33条，断层走向分为2组，一组呈近EW走向，另一组呈NNE—NNW向发育。区内落差不小于20 m的断层有3条，落差为5～20 m的断层有20条，落差小于5 m 的断层有10条，对采掘活动有一定的影响。该区二2煤层直接顶板的岩性多为泥岩或砂质泥岩，厚达0.71～7.93m，平均为4.38 m，整体发育稳定，北部局部直接顶不发育，基本顶岩性为细砂岩，直接底岩性为泥岩，局部泥岩不发育，煤层直接底板岩性为粉细砂岩或砂质泥岩(1109钻孔)。

2 采区准备巷道优化方案

二十采区为下山采区，布置有3条下山用于胶带运输、轨道运输及采区回风[4-7]。本研究结合该采区原设计方案，为缩短采区准备工期，缓解矿井采掘接替紧张局面，提出采用2条水平集中巷布置方案。

2.1 原有巷道布置方案

在二十采区3条下山落底处布置二十采区胶带巷、轨道巷及回风巷，3条集中巷位于二2煤层顶板6～20 m厚的细砂岩、泥岩及砂质泥岩层位，巷道水平间距30 m，在采区北翼边界(F18断层保护煤柱)处通过末端联络巷相连，建立采区通风系统(图1)。二十采区胶带巷在二十采区胶带下山下平巷内开口施工，底板标高-703 m，巷道开口沿3°方位、4‰上山施工560 m后，按12°下山施工30 m变平，而后平巷施工20 m至末端联络巷，用于采区胶带运输、进风及行人。二十采区轨道巷在二十采区轨道下山底车场内开口施工，底板标高-710 m，巷道开口沿3°方位、4‰上山施工640 m至末端联络巷，用于采区轨道运输、进风、行人及排水。二十采区回风巷在二十采区回风下山下平巷内开口施工，底板标高-703 m，巷道开口沿3°方位、4‰上山施工670 m至末端联络巷，用于采区回风。

2.2 2条水平集中巷布置方案

在二十采区3条下山落底处布置二十采区运输巷、回风巷，2条集中巷位于二2煤层顶板6～20 m厚的细砂岩、泥岩及砂质泥岩层位[8]，水平间距30 m，在采区北翼边界(F18断层保护煤柱)处通过末端联络巷相连，建立采区通风系统(图2)[9]。二十采区运输巷在二十采区胶带下山下平巷内开口，底板标高-703 m，巷道开口沿3°方位、4‰上山施工610 m至末端联络巷，用于采区胶带运输、轨道运输、进风、行人及排水。二十采区回风巷在二十采区回风下山下平巷内开口，底板标高-696 m，巷道开口沿3°方位施工80 m后，按10°下山施工40 m变平，而后平巷施工550 m至末端联络巷，用于采区回风。

该方案的优点为：①有助于减少二十采区准备期间的岩巷工程量，使得采区尽快满足回采条件，可有效缓解矿井采掘接替紧张的难题，采用2条集中巷布置方案较3条集中巷布置方案可节省岩巷工程量约640 m，按照岩巷70 m/月的单进水平计算，可提前4.6个月形成二十采区生产系统；②减少前期成本投入，降低吨煤成本，岩巷按4 200 mm×3 600 mm直墙半圆拱断面进行计算，可节省投入约588.8万元(岩巷按0.92万元/m计算，其中材料费0.63万元/m、人工费0.29万元/m)；③增加工作面推进长度，提高煤炭资源回收率，采用2条集中巷布置方式[10]，大巷保护煤柱宽度较3条集中巷布置方案减少30 m，占压保护煤柱减少，可增加前期回采煤量约65万t(按长度600 m、平均煤厚2.6 m、密度1.46 t/m3、回采率95%进行计算)，有利于后期回收大巷保护煤柱；④减少二十采区准备巷道后期维修工程量，延长巷道服务周期。

图1 3条水平集中巷布置示意

图2 2条水平集中巷布置示意

该方案的不足之处在于：①增加采区准备巷道掘进难度，采用3条集中巷布置方案的巷道断面为4 200 mm×3 600 mm(宽×高)直墙半圆拱断面，2条集中巷布置方案的巷道断面为4 800 mm×3 900 mm(宽×高)直墙半圆拱断面，巷道断面增大不仅影响单进进尺，而且不利于巷道支护稳定[11]；②轨道与胶带位于同一条巷道内，不利于设备的维护与管理，不利于轨道运输安全。

经过综合分析可知，2条集中巷布置方案优于3条集中巷布置方案，且通风、运输、排水等永久生产系统相对经济合理，故而本研究选用该方案对陈四楼煤矿二十采区准备巷道进行布置。

3 巷道断面支护设计

二十采区3条下山落底后，布置采区水平集中巷贯穿整个采区，水平集中巷位于二2煤层顶板约6～20 m厚的细砂岩、泥岩及砂质泥岩层位。类比该矿其他采区开拓准备巷道断面设计，并结合二十采区煤岩层赋存条件，本研究选用承载能力较强的直墙半圆拱断面[12]，巷道断面规格根据采区通风、运输、行人、排水、管线布置及检修等需要进行设计，二十采区回风巷选用巷道断面型式为净宽4 200 mm、净高3 600 m的直墙半圆拱断面，二十采区运输巷道断面型式为净宽4 800 mm、净高3 900 m的直墙半圆拱断面。本研究结合巷道地质资料，设计采用锚网喷+锚索的支护方式。

3.1 锚网喷支护

巷道顶部采用φ20 mm×2 200 mm左旋螺纹钢高强锚杆，两帮采用φ18 mm×2 200 mm左旋螺纹钢高强锚杆，底角帮锚杆与水平面成15°夹角倾斜向下，其余锚杆均垂直于巷道轮廓。锚杆类型为Q335高强锚杆，材质为左旋螺纹钢，屈服强度不小于335 MPa，抗拉强度不小于455 MPa，伸长率不小于17%[13-14]，锚杆间排距为800 mm×800 mm。喷层厚度为100 mm，混凝土强度等级为C20，配合比(质量比)为水泥∶砂∶米石=1∶2∶2。水泥为普通硅酸盐425#水泥；砂为中粗砂，细度模数宜大于2.5，含水率为8%～10%，不宜使用有酸、碱或含油的水；米石须坚硬耐久，粒径为5～15 mm；速凝剂标号为782-3，掺入量为水泥质量的2%～5%，喷拱部时取上限，淋水区可酌情加大掺入量；每次喷浆时须预留100 mm网边，便于金属网间搭接。

3.2 锚索加强支护

选用单锚索或锚索梁对巷道顶帮进行加强支护，锚索采用φ18.9 mm×6 300 mm钢绞线[13-14]，每根锚索使用3卷MSM2350树脂锚固剂，锚索间排距为1 600 mm×1 600 mm。锚索梁采用12#槽钢梁加工而成，一梁三索，锚索间排距为1 300 mm×1 600 mm。

3.3 架棚支护

根据巷道断面确定棚梁及连接板数量，棚腿外扎角85°，棚梁搭接450 mm，棚距700 mm，卡揽螺栓力矩不宜小于300 N·m，连接板螺栓力矩不宜小于100 N·m。棚子用半圆木背实，混凝土喷射厚度以棚子外露50 mm为准。全断面注浆充填裂隙，对巷道轮廓线以外2 m范围内进行加固，注浆管采用φ20 mm×2 000 mm钢管加工而成，注浆管间排距为2 100 mm×2 100 mm，每排布置5根(正顶、两肩窝及两底角各1根)，注浆管埋设后外露不超过100 mm。注浆时，浆液采用普通硅酸盐425#水泥配制，水灰比为0.8～1，注浆压力控制在0.8～1 MPa[13-15]。注浆后及时打探眼检查注浆质量(确保探眼内无空洞或裂缝)，探眼布置于2排注浆孔之间，深度为1 000 mm，与注浆孔成五花形布置。

4 讨论

(1)2条集中巷布置导致二十采区轨道下山底车场存车线距离缩短，尤其是二十采区水仓清理期间，因存车空间有限将增加运输环节及倒运次数，从而降低运输效率，进而影响正常采掘期间生产车辆供应。通过绕道车场优化设计，绕道车场内铺设双道，既有效解决了存车线短的问题，又起到沟通二十采区轨道下山与二十采区胶带下山通风系统的作用，减少了联络巷工程量。

(2)二十采区运输巷采用“机轨合一”的布置方式，考虑到集中巷层位、地质构造及服务年限，为保证巷道支护强度，巷道选用净宽4 800 mm、净高3 900 m 的直墙半圆拱断面，轨道仅能单趟铺设，间接增加了运输难度。通过适当增加各工作面车场巷道断面规格及长度，在工作面车场内铺设双道形成临时车场的方式，便于车辆调运及临时存放，可有效解决二十采区运输巷内无存车场的难题。

(3)二十采区为双翼开采，该采区运输巷内轨道运输布置于巷道中心西侧，胶带运输布置于巷道中心东侧，为避免出现胶带跨越轨道的现象，集中巷西翼工作面煤流采用溜煤眼与二十采区运输巷内胶带输送机相连，集中巷东翼工作面轨道采用逆向绕车场与二十采区运输巷内轨道相连，既有效解决了胶带与轨道穿插布置的问题，又满足了生产需要，另通过溜煤眼的设计，可减少巷道工程量，并且有利于顺槽掘进期间合理控风。