3下303 面材料巷超前沿空送巷设计与实践

2023-12-09魏文杰时鹏程倪志远

山东煤炭科技 2023年11期

魏文杰时鹏程倪志远

（枣矿集团高庄煤业有限公司，山东济宁 277605）

1 工作面概况

1.1 井下位置及周边四邻采掘情况

3下303 工作面位于西三采区南部，西部为3下302 工作面（安装待回采），北部为西三采区三条准备巷道，东部为3下煤层未开采区域，南部为防水煤柱。工作面上部主要为原穿（水）采工作面采空区和老巷，工作面标高为-145.5～-237.7 m。3下303 工作面与3下302 工作面具体平面位置关系如图1。

图1 3下303 工作面平面布置图

1.2 工作面煤层特征

工作面所处地层为二叠系山西组3下煤，煤层赋存稳定，黑色，以亮煤为主，夹镜煤、暗煤条带，硬块状，内生裂隙发育，具发育水平层理，沥青光泽，属半亮型煤。根据现有地质资料及周边钻孔可知，3下煤层厚度3.60～4.43 m，平均3.9 m，局部含一层夹矸，厚度平均0.3 m，岩性为泥岩。煤层结构复杂，煤层可采性指数为1.0。煤层赋存稳定，距3上煤层间距4.0～8.9 m，平均6.8 m。

1.3 工作面煤层顶底板情况

根据周边钻孔F14-13、钻孔F13-8、钻孔13-19、钻孔水2013-1 以及周边巷道揭露情况，3下煤基本顶为中砂岩、砂质泥岩互层，厚度60.00～93.92 m，平均厚度72.00 m，其中以砂质泥岩为主。直接顶为细粒砂岩，厚度4.0～8.0 m，平均厚度6.0 m；直接底为泥岩，厚度1.08～1.60 m，平均厚度1.35 m；基本底为粉粒砂岩，厚度5.46～9.77 m，平均厚度8.36 m。

1.4 煤层冲击倾向性鉴定情况

3上、3下煤层均具有弱冲击倾向性，3上煤层顶板岩层具有弱冲击倾向性，3下煤顶板岩层和3下煤底板岩层无冲击倾向性。经评价，3下303 掘进工作面冲击危险性为无冲击危险性。

1.5 工作面地质状况

1.5.1 褶曲

该工作面所处地层总体为一单斜构造，走向52°、倾向322°。煤岩层产状较稳定，煤岩层倾角5°～14°，平均倾角9°左右。

1.5.2 断层

根据周边工作面采掘揭露情况，工作面预计揭露4 条断层，具体工作面断层产状见表1。

表1 工作面断层产状表

1.6 工作面水文状况

对工作面采掘可能产生影响的水文因素有：第四系松散含水层水、顶板砂岩水、老空水。

1.6.1 第四系松散含水层

在工作面浅部区域分布第四系底黏，平均1.9 m，且切眼附近最大约3.8 m，是良好的隔水层；上部隔水层也是全区发育稳定的黏土质地层，最大厚度为5.0 m，隔水阻砂性良好。导水裂缝带最大发育高度为50.7 m，而第四系底部距3下煤层顶板为71 m，两带高度发育也不波及第四系含水层。

1.6.2 顶板砂岩水

工作面上覆二叠系山西组砂岩以中砂岩、砂质泥岩互层，在正常地段补给条件较差，以静水量为主，富水性弱，在受构造影响地段顶板砂岩层富水性相对增强。掘进期间巷道对围岩的破坏力小，仅对顶板砂岩层有轻微破坏，不会波及到其他上部含水层，在靠近或揭露煤岩层裂隙相对发育区域时顶板砂岩水会以淋水、滴水的形式进入巷道，但不会对掘进构成威胁。工作面回采期间围岩受采动影响，将出现顶板冒落、产生导水裂隙等现象，其富含水量将随之进入工作面和采空区，对回采构成影响。顶板砂岩水将是工作面充水的一个主要水源。

1.6.3 老空区积水

工作面上覆采空区为原西三穿采水采老巷，从采煤水采工艺上分析，用高压水枪切割煤块后，借用水流将煤块冲出巷道进入煤流主运皮带上。可见巷道均为上山掘进才能用水流冲出煤块进入后路煤流系统，所以老巷不会积水。后经调查，西三穿采老巷均为4°上山穿采采煤，因此，该工作面上覆西三穿采老巷不会积水。

1.6.4 工作面涌水量预计

经过综合分析，该工作面巷道正常掘进期间出水形式为顶板淋水、滴水，水源为山西组砂岩含水层水，预计正常涌水量5 m3/h，揭露含水断层时预估最大涌水量20 m3/h。

1.7 工作面布置方案

工作面整体为不规则工作面，可推进长度约为680 m，倾斜长度约为204～236 m，可采面积约为133 070 m2。其中工作面材料巷（下巷）邻近3下302 工作面，设计与3下302 工作面运输巷沿空留有4.0 m 的小煤柱，3下303 工作面材料巷属于小煤柱沿空送巷布置。

由于3下302 工作面为提高开采上限工作面，3下302 工作面安装完成后时间为夏季多雨期，为加强“雨季三防”煤矿安全生产管理，根据当地安全监察主管部门检查要求，3下302 工作面需停止回采，并对3下302 提高开采上限工作面的安全回采进行进一步论证。为了确保后续3下303 工作面的顺利接续，有效解决矿井生产接续紧张的问题，在3下302 工作面停止回采期间，准备超前掘进3下303 工作面材料巷，提前3下303 工作面安装回采时间。

3下303 工作面材料巷超前沿空送巷就要经受不同情况的3下302 工作面和3下303 工作面叠加动压影响，给巷道围岩控制带来了一定难度，因此，3下303 工作面材料巷支护系统必须满足强动压影响。而且巷道沿空小煤柱变形也将会较大，小煤柱经受叠加动压影响后还必须保持足够的残余强度，不能被破坏，巷道保证能够正常使用。

2 3下303 材料巷超前掘巷优化设计

2.1 3下303 材料巷断面优化

为了保证3下303 材料巷经受不同情况的3下302 工作面和3下303 工作面叠加动压影响后，巷道围岩的变形量还能够正常使用，满足安全生产需求，通过调研其他矿井工作面巷道沿空送巷回采期间巷道变形情况，将巷道正常净断面积由净宽×净高=4.6 m×3.5 m=16.1 m2，增大为净宽×净高=5.0 m×4.0 m=20 m2，增加巷道变形余量，保证能够实现巷道帮部和巷道顶底板变形量约1 m。

2.2 3下303 材料巷沿空小煤柱宽度调整

为了保证3下303 材料巷沿空小煤柱经受叠加动压影响后保持足够的残余强度，通过调研其他矿井工作面巷道沿空送巷煤柱留设情况，将3下303 材料巷沿空煤柱宽度由原设计时的宽度4 m 增加为宽度6 m，提高煤柱受压强度。

2.3 3下303 材料巷差异化支护优化

根据3下303 材料巷掘进巷道与3下302 回采工作面的时间和空间上的关系，可将3下303 材料巷掘进巷道根据所受动压不同分为三类区域。具体巷道分区域平面图如图2。

图2 巷道分区域平面图

第一类区域为距离3下302 工作面停采线30 m外区域。该区域虽然3下302 工作面暂未回采，3下303 材料巷属于超前掘进巷道，但根据西三采区3下301 工作面（已回采）矿压分析，预计3下302 工作面超前应力影响范围小于30 m，所以该区域3下303材料巷巷道只承受自身工作面回采期间的一次动压影响。

第二类区域为距离3下302 工作面停采线30 m以内且3下302 工作面暂未回采，3下303 材料巷超前沿空送巷的区域。该区域3下303 材料巷巷道需承受3下302 工作面回采时的超前动压、滞后动压和3下303 工作面回采期间动压总共三次动压影响。

第三类区域为3下302 工作面回采结束后且3下302 工作面上覆岩层还未重新稳定，3下303 材料巷超前沿空送巷的区域。该区域3下303 材料巷巷道需承受3下302 工作面回采结束后的滞后动压和3下303 工作面回采期间动压总共两次动压影响。

1）3下303 材料巷距离3下302 工作面停采线30 m 外支护方式

该区域3下303 材料巷巷道只承受3下303 工作面回采期间一次动压影响，所以该区域巷道不需要进行加强支护，按正常巷道进行支护设计。即巷道按跟顶掘进施工，采用锚网梯索支护方式。顶部锚杆为金属螺纹钢锚杆（Q335），规格为Ф20 mm×2200 mm，间排距为850 mm×1100 mm，锚杆托盘为配套托盘；帮部为金属螺纹钢锚杆（Q335），规格为Ф18 mm×1800 mm，间排距为900 mm×1100 mm，锚杆托盘为配套托盘；顶部钢筋梯为Ф16 mm 钢筋焊接而成，钢筋梯规格为90 mm×4500 mm，排距为1100 mm；顶部和帮部金属菱形网宽度为1200 mm，长度依据现场情况截取，金属网之间搭茬100 mm，并在搭茬处用14#铁丝绑扎，铁丝间距为200 mm。

巷道顶部锚索布置方式：在第一排锚杆中左边第二棵及第四棵锚杆处分别布置一棵锚索，隔一排在第三排锚杆中右边第二棵及第四棵锚杆处分别布置一棵锚索，以此类推，锚索间排距为1700 mm×2200 mm，锚索与锚杆均布置在同一排，锚索可替代锚杆。锚索为Φ17.8 mm 钢绞线锚索，屈服强度为1860 MPa，锚索托盘为配套托盘，锚索锚入顶板稳定岩石深度不少于2000 mm，锚索长度不低于4300 mm。具体巷道支护断面如图3。

图3 巷道支护断面图（停采线30 m 外区域，mm）

2）3下303 材料巷超前掘进巷道支护方式（承受三次动压）

该区域3下303 材料巷巷道承受3下302 工作面超前、滞后和3下303 工作面回采期间三次动压影响。此区域巷道承受动压最大，超前掘进区域需要特别加强支护。相比较正常段支护方式，具体支护：一是提高巷道顶部锚杆和帮部锚杆屈服强度，锚杆屈服强度由335 MPa 提高到500 MPa；二是增加巷道顶部锚杆和帮部锚杆长度，提高巷道围岩锚固深度，进一步增加围岩支护范围；三是缩小锚杆和锚索支护排距，增加巷道支护密度；四是帮部增加锚索支护，特别是沿空侧帮部支护，施工两棵帮部对穿锚索，即小煤柱两帮均用锁具锚固，提高煤柱支承强度；五是将顶部和帮部金属菱形网优化为编织包边钢筋网，提高巷道护表强度；六是顶部钢筋梯替换为W 钢带，帮部也增加钢护板，进一步提高巷道护表强度。

巷道具体支护形式：巷道按跟顶掘进施工，采用锚网带索支护方式。顶部锚杆采用高强螺纹钢让压锚杆（左旋、Q500），规格为Φ22 mm×2400 mm，帮部锚杆采用全螺纹高强让压锚杆（左旋、Q500)，规格为Φ20 mm×2400 mm，托盘均为配套高强托盘，顶部锚杆间排距均为900 mm×1000 mm；顶部、帮部金属网均采用Φ5 mm 编织包边钢筋网，网格80 mm×80 mm，顶部金属网规格为1100 mm×2000 mm，帮部金属网规格为1100 mm×2000 mm，金属网之间搭茬不小于100 mm，并在搭茬处用10#铁丝绑扎，铁丝间距为200 mm；顶部锚杆钢带为W 钢带，规格为长×宽×厚=5000 mm×280 mm×3 mm，帮部锚杆托盘后增加钢护板，规格为280 mm×450 mm×5 mm。

巷道顶部、帮部锚索均为Φ21.8 mm 的高强钢绞线锚索，屈服强度为1860 MPa，锚索托盘均为高强配套托盘，顶部和帮部锚索与锚杆不布置在同一排。顶部锚索长度为5000 mm，顶部锚索具体布置方式为：在第一、二排锚杆之间布置三棵锚索，隔一网在第三、四排锚杆之间布置三棵锚索，再隔一网布置三棵锚索，依此类推，锚索间排距为1600 mm×2000 mm，锚索以锚入顶板稳定岩层不小于2000 mm 为准；帮帮部锚索长度为4300 mm，生产帮在帮部两排锚杆中间每排布置两棵锚索，间排距为1500 mm×2000 mm；煤柱帮帮部上面一棵锚索长为4300 mm，下面两棵贯穿锚索长约6600 mm，间距如图所示，排距为1000 mm。具体巷道支护断面如图4。

图4 巷道支护断面图（承受三次动压区域，mm）

3）3下303 材料巷超前掘进巷道支护方式（承受两次动压）

该区域3下303 材料巷巷道承受3下302 工作面滞后和3下303 工作面回采期间两次动压影响。此区域相比较三次动压影响，少了3下302 工作面超前动压影响，巷道承受动压也较大，超前掘进区域需要加强支护。相比较正常段支护方式，具体支护：一是提高巷道顶部锚杆和帮部锚杆屈服强度，锚杆屈服强度由335 MPa 提高到500 MPa；二是增加巷道顶部锚杆和帮部锚杆长度，提高巷道围岩锚固深度，进一步增加围岩支护范围；三是缩小锚杆和锚索支护排距，增加巷道支护密度；四是增加帮部锚索支护，提高煤柱支承强度；五是将顶部和帮部金属菱形网优化为编织包边钢筋网，提高巷道护表强度；六是顶部钢筋梯替换为T 型钢带，帮部也增加W钢带，进一步提高巷道护表强度。

巷道具体支护形式：巷道按跟顶掘进施工，采用锚网带索支护方式，顶部锚杆采用高强螺纹钢让压锚杆（左旋、Q500），规格为Φ22 mm×2400 mm，帮部锚杆采用全螺纹高强让压锚杆（左旋、Q500)，规格为Φ20 mm×2400 mm，锚杆间排距为900 mm×1000 mm，托盘均为高强配套托盘；顶部钢带为8 mm 厚T 型钢带，排距为1000 mm，钢带规格为长× 宽× 厚=5000 mm×140 mm×8 mm；顶部及帮部金属网为编织包边钢筋网，为Ф5 mm 钢筋编织而成，规格为1100 mm×2000 mm，所有网压茬100 mm，搭茬处用10#铁丝连接，铁丝间距200 mm；帮部锚杆托盘下增加两条型号为WD280/3.75 的W 型钢带搭接使用，长度为2200 mm。

巷道顶部、帮部锚索均为Φ21.8 mm 的高强钢绞线锚索，屈服强度为1860 MPa，锚索托盘均为高强配套托盘，顶部和帮部锚索与锚杆不布置在同一排。顶部及煤柱帮锚索长度为5300 mm，生产帮锚索长度为4300 mm。巷道支护断面如图5。

图5 巷道支护断面图（承受两次动压区域，mm）

顶部锚索具体布置方式：在第一、二排锚杆之间布置3 棵锚索，隔一网在第三、四排锚杆之间布置3 棵锚索，再隔一网布置3 棵锚索，依此类推，顶部锚索间排距为1600 mm×2000 mm，锚索以锚入顶板稳定岩层不小于2000 mm 为准；帮部锚索只在巷道全煤时布置，锚索与锚杆不布置在同一排，布置方式为每隔三排帮锚杆在两帮各施工一棵帮锚索，排距3000 mm；施工时在两帮中间位置范围内开孔，煤柱帮侧锚索向上与帮部夹角不大于45°，煤柱侧锚索以锚入顶板稳定岩层不小于2000 mm 为准，生产帮侧锚索与帮部垂直。