双煤层协同开采矿井防冲优化设计

孙振于，白金正，余 波，徐基根，卢安良，武智东

(1.徐州弘毅科技发展有限公司，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3.国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209；4.鄂尔多斯市成达矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300)

很多矿井由于未考虑冲击地压因素进行设计和建设，在后续开采过程中发生了冲击地压灾害，给矿井生产带来了重大的安全隐患和治理投入[1-3]。煤矿冲击地压防治首先要遵循“区域先行”的原则，即从采掘布局、开采设计上尽可能地避免出现应力集中区域[4，5]。近些年来，众多学者和技术人员提出了多种具体的区域防冲技术，取得了很好的实践效果[6-9]。王志强等[10]以华丰煤矿为工程背景，提出了“负煤柱”布置的理念和方法，成功实现了冲击地压工作面的安全开采。翟明华等[11]在山东能源集团3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用了保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法，阐述了防冲安全的具体做法。郭晓强[12]、陈建君等[13]提出并验证了邻近采空区巷道外错布置技术的合理性与优越性。通过查阅相关文献发现，多数研究都是基于现已存在的问题而提出的解决方案，很少从矿井设计之初考虑冲击地压影响对整个矿井开拓布局提出具体优化设计方案。因此，本文基于纳林河矿区陶忽图煤矿具体工程条件，考虑冲击地压影响因素对矿井整体开拓布局进行优化设计，以期为条件类似矿井设计提供参考依据。

1 工程概况

陶忽图煤矿为规划矿井，尚未开工建设，目前处于设计阶段。井田南北长12.7 km，东西宽2.5～11.2 km，面积83.82 km2，受自然保护层区和天然气开采等影响井田形状呈不规则倒葫芦型，矿井计划初期开采西北部区域。井田范围如图1所示。矿井设计主采煤层为2-2、3-1、6-1煤层，其中，2-2煤层平均埋深为679.63 m，平均可采厚度为3.43 m；3-1煤层平均埋深为741.04 m，平均可采厚度为6.26 m，上距2-2煤层平均为57.94 m；6-1煤层平均埋深为843.05 m，平均可采厚度为3.29 m，上距3-1煤层平均为100.56 m。矿井经冲击倾向性评估和冲击危险性评价，各煤层均具有弱冲击倾向性和无～弱冲击危险性。矿井南部为纳林河二号井、北部为营盘壕煤矿，两矿均为冲击地压矿井。

图1 井田范围(m)

综上可知，矿井各煤层埋深较大，具有冲击倾向性和冲击危险性，邻近开采同煤层的矿井发生过冲击地压灾害，具有发生冲击地压的潜在风险，应考虑冲击地压影响对矿井进行设计。

2 矿井原设计存在的问题

2.1 矿井原开采设计方案

矿井设计生产能力800万t/a，计划2-2、3-1煤层联合开采，两煤层各布置一个工作面同时生产达产。由于3-1煤层较厚，经济效益较好，设计采用上行开采的方法优先开采3-1煤层作为2-2煤层的保护层。矿井设计采用立井开拓，井筒及井底车场选择布置在井田中部，沿井底车场南北两侧布置开拓大巷，在大巷两侧沿东西走向布置工作面，开拓布置如图2所示。计划首采3-1101工作面，待3-1101工作面开采一定距离后开采上部的2-2201工作面，两面同时生产达产，而后在首采工作面南北两侧顺序接替。

图2 矿井开拓布置

2.2 原开采设计方案存在问题分析

2.2.1 保护层选择问题分析

保护层开采是区域性防治冲击地压的有效方法[14-16]。具有冲击危险的矿井开采煤层群时，应优先选择无冲击危险，或冲击危险较低的煤层作为保护层进行开采[17]。矿井设计优先开采3-1煤层作为2-2煤层的保护层，但3-1煤层厚度较大，埋藏也较深，所以冲击危险性也相对较高；而且周边纳林河二号矿井[18，19]开采3-1煤层过程中发生过多次冲击地压事件，表明3-1煤层冲击危险性较强，应作为被保护层进行开采。

开采下保护层，不得破坏被保护层的开采条件，根据文献[17]，开采下保护层时，不破坏上部煤层的最小间距可参考下式计算。

H=KMcosα

(1)

式中，H为不破坏上部煤层的最小间距，m；K为顶板管理系数，全部垮落法管理顶板时取10；M为保护层开采厚度，m；α为煤层倾角，(°)。

矿井设计采用全部垮落法管理顶板，K取10；3-1煤可采厚度为6.26 m；地层倾角小于3°。将上述数据带入上式可得H=62.51 m，大于3-1和2-2煤层平均间距，所以优先开采3-1煤层可能会破坏2-2煤层的开采条件。

2.2.2 矿井布置方案问题分析

1)开切眼或终采线外错，受矿井边界和开拓巷道布置影响，工作面走向与大巷和矿井边界斜交，多工作面布置时开切眼与矿井边界、终采线与大巷之间呈锯齿形状，导致工作面出现开切眼外错或终采线外错。

2)部分区域位于保护范围外，位于首采工作面南侧的2-2煤工作面终采线位置部分区域和位于首采工作面北侧的2-2煤工作面开切眼位置部分区域处于保护层保护范围外。

3)丢失三角煤，工作面走向与矿井边界和大巷斜交，会在矿井边界处和工作面终采线附近形成锯齿形三角煤；而且锯齿形三角煤会对矿井后期大巷保护煤柱的回收造成严重影响。

4)矿井前期会有2个采煤工作面和4个煤层掘进工作面在一个相对较小的区域内同时生产，会某一段时间相互干扰。虽然对于部分区域不处于保护范围的问题可以采用缩面或采取一定卸压措施的方式来解决，但同时会导致施工工艺更复杂，产生额外的经济支出以及丢失部分煤炭资源等问题。

3 双煤层协同开采防冲优化设计

3.1 双煤层协同开采优化方案

3.1.1 单翼双煤层协同开采优化方案

在保护层选择方面，应优先开采煤层厚度较薄的，且埋深较浅的2-2煤层作为3-1煤层的保护层。在矿井优化设计方面，可将北翼大巷走向方向调整至与矿井西部边界平行，大巷两翼工作面与大巷垂直布置；首采2-2101工作面，待2-2101工作面开采一定距离后，开采下部的3-1101工作面，两工作面同时生产达产，而后在首采工作面两侧顺序开采，如图3所示。按此布置，当大巷西翼工作面开采临近大巷末端时，将在矿井西北侧形成三角区域。对于三角区域煤层的开采，可在2-2煤工作面开采至该区域后，在北翼大巷末端2-2煤采空区下方，垂直于北翼大巷布置准备巷道，垂直于准备巷道布置工作面进行回采。按该方案布置，首先避免了2-2煤层孤岛煤柱的形成，大巷在保护层的保护下较为安全，其次3-1煤层中大巷孤岛煤柱在保护层的保护下回收也较为安全。上述布置方案可以解决大巷西翼工作面开切眼或终采线外错、部分区域位于保护层外的问题，避免了三角煤的丢失，提高煤炭回收率，而且有利于矿井后期大巷孤岛煤柱的回收。但此布置会增加矿井后期开拓工程量，增加一定的后期投入。

图3 单翼双煤层协同开采优化方案

3.1.2 双翼双煤层协同开采优化方案

若矿井不受先期开采区域的限制，可在大巷两侧跳采，先单独开采大巷西侧的2-2101工作面，然后接大巷东侧的2-2102工作面，在开采2-2102工作面的同时开采2-2101工作面下方的3-1101工作面，如图4所示。按此布置方式可以同时解决矿井前期采掘工作面过于集中的问题，更为合理和安全。

图4 双翼双煤层协同开采优化方案

3.2 双煤层协同开采工作面布置参数

保护层开采条件下，要合理确定被保护层工作面与保护层工作面之间的走向和倾向错距，以及滞后距离。

参照文献[17]，按照保护层的倾向保护范围确定原则，该矿煤层倾角不超过3°，所以卸压角δ3、δ4取75°；2-2煤层与3-1煤层层距平均为57.94 m，最大间距69 m，为安全考虑取两煤层最大间距69 m，则合理错距第一部分应为L1=69/tan75°=18.5 m；除此之外，还要考虑为下阶段工作面所留设的巷道和区段煤柱宽度，若工作面运输巷、回风巷宽度取5.5 m，相邻两工作面之间区段煤柱宽度取5.0 m，则错距第二部分L2应为11.5 m；所以合理倾向错距应为L=L1+L2=30 m，如图5所示。

图5 矿井优化布置方案倾向剖面

参考文献[20]，按照保护层的走向保护范围确定原则，卸压角δ5取56°，走向错距应为69/tan56°=46.54 m，取整为47 m，如图6所示。矿井设计生产能力800万t，设计一个2-2煤层工作面和一个3-1煤层工作面同时生产达产，则2-2煤层工作面年生产能力需要达到250～350万t，2-2煤层工作面设计宽350 m，采高3.43 m，容重为1.3 t/m3，采出率取0.95。根据经验，工作面采后后方采空区稳定一般需要3～6个月的时间，则6个月2-2煤工作面回采长度约为843～1180 m，取1200 m；所以在选择单翼双煤层协同开采优化方案的条件下，建议3-1煤工作面应滞后2-2煤工作面1200 m。

图6 矿井优化布置方案走向剖面

4 结 论

1)经分析，矿井原开采设计方案存在保护层选择不合理、开切眼或终采线外错、部分区域位于保护范围外、丢失三角煤、对矿井后期大巷保护煤柱的回收不利以及前期采掘过于集中等问题。从冲击地压防治角度对保护层选择和矿井设计进行优化，能有效避免矿井原开采设计方案中存在的问题。

2)2-2煤层保护层工作面与3-1煤层被保护层工作面之间合理倾向错距为30 m，走向错距为47 m，3-1煤层工作面应滞后2-2煤层工作面1200 m。