大埋深超长回采工作面在复杂构造条件下的设计与应用

高伟民 甄逢俊 司佩田

（山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918）

根据新巨龙公司生产接续方案，十一采区将在2025 年后接替一采区、六采区成为矿井主要生产采区，11302 工作面作为十一采区首采面，正在进行方面工程，工作面面长400 m，走向长度2263 m，储量348.5 万t。

原工作面设计中，两条顺槽近似沿刘海向斜布置，工作面切眼与顺槽垂直布置，工作面切眼与60 m 防隔水煤柱线之间将遗失34.6 万t 原煤，造成煤炭资源浪费。

为了能够最大限度回收煤炭资源，对工作面切眼布置进行了优化，将切眼与工作面顺槽按照120°夹角切斜布置，达到最大限度提高回采工作面回收率目的，同时杜绝传统调采方案调采期间加、减支架数量的问题，减少了调采期间工作量，为矿井后期回采工作面切眼布置以及提高煤炭回收率指明了新的方向。

1 11302 工作面概况

1.1 工作面位置及周边关系

11302 工作面对应地表为奚楼及其北部农田区域，工作面距地面的垂深为747.1～977.6 m。地表有农田及新洙水河。

11302 工作面为十一采区第一个工作面，位于十一采区下山以南，东为尚未准备的11303 工作面，西为尚未准备的11301 工作面，南为3 煤层隐伏露头，北为铁路保护煤柱。11302 工作面平面布置图如图1。

图1 11302 工作面平面布置图

1.2 工作面参数

工作面走向长2263 m（平距），倾斜宽400 m（平距），开采面积905 140 m2，煤种为1/3 焦煤、肥煤和气煤。3上煤层设计可采储量348.5 万t。

1.3 地质状况

11302 工作面位于一水平十一采区， 本区域发育刘海向斜，向斜构造东翼煤层走向105° ～306°，倾 向195° ～36°，煤 层 倾 角0°～13°；向斜构造西翼煤层走向306°～30° ，倾向36°～120°，煤层倾角0°～15°。

根据2018 年《十一、十二采区补充勘探地质报告》，11302 工作面东部和北部发育NF19 和毕垓南断层，西部发育一处陷落柱，南部靠近煤层隐伏露头附近煤层至新近系底部间距较小，易引起新近系底部砂层对开采的直接充水[1]，该区域构造复杂。11302 进风巷可能揭露NF84 断层，11302 切眼可能揭露NF6 断层，11302 回风巷可能揭露NF6、NF42、NF85、NF100、NF101、NF52、NF68 断层。同时工作面内部断层较为发育。

刘海向斜，矿井主要褶曲构造，该向斜延伸长度约14.5 m，幅度70～200 m，跨度1.4～5.5 km，两翼倾角4°～20°。该向斜位于11302 工作面中部靠回风巷，轴向北东，在工作面北部由北东转为北西，工作面进回风巷走向与刘海向斜轴向平行，回风巷距轴部最近96 m，切眼将穿向斜轴部掘进，工作面整体受刘海向斜影响构造应力集中，煤岩层受拉伸力影响易破碎[2]。

毕垓南断层，正断层，位于工作面北部，走向北-北西，倾向西-西南，延展长度2400 m，三维地震解释落差0～87 m，为矿井主要构造，暂无实际揭露点[3]。毕垓南断层距11302皮带机头通道最近处66 m，受断层影响，构造应力较为集中，预计11302 皮带机头通道掘进期间将揭露毕垓南断层的一个分支断层，落差0～4 m。

NF68 断层，位于11302 工作面北部，正断层，走向北西，倾向西南，断层面倾角45°～70°，延展长度340 m，三维地震解释落差0～7 m。该断层在十一采区回风巷揭露落差1 m，十一采区进回风四联巷揭露落差1.1 m，预计11302 皮带机头通道揭露NF68 断层落差1 m。该断层在皮带机头通道北部与北部的毕垓南断层共同影响，区域构造应力集中。

NF6 断层，位于11302 切眼附近，正断层，走向北东，倾向北西，断层面倾角60°，延展长度330 m，三维地震解释落差0～15 m。预计该断层在切眼揭露落差4 m，可能延伸至回风巷，预计揭露落差2 m。该断层将11302 切眼下头及回风巷切割成三角煤柱区，构造应力集中。

NF42 断层，位于11302 回风巷，逆断层，走向北东，倾向东南，断层面倾角60°，延展长度210 m，三维地震解释落差0～7 m，预计11302 回风巷揭露落差0～7 m。

NF85 断层，靠近11302 回风巷，正断层，走向近南北，倾向西，断层面倾角65°，延展长度140 m，三维地震解释落差0～3 m。该断层走向与11302回风巷平行，最近处31 m，可能延伸至回风巷掘进区域，区域构造应力集中。

NF100 断层，靠近11302 回风巷，正断层，走向北东，倾向北西，断层面倾角50°，延展长度80 m，三维地震解释落差0～3 m。该断层在距11302 回风巷45 m 处尖灭，可能延伸至回风巷掘进区域。

NF101 断层，靠近11302 回风巷，正断层，走向北西，倾向北东，断层面倾角60°，延展长度60 m，三维地震解释落差0～3 m。该断层在距11302 回风巷30 m 处尖灭，可能延伸至巷道掘进区域。

NF52 断层，位于11302 回风巷，逆断层，走向北西，倾向西南，断层面倾角65°，延展长度148 m，三维地震解释落差0～6 m，预计11302 回风巷揭露落差3 m。该断层走向与回风巷近平行。

NF121 断层，靠近11302 回风巷，逆断层，走向北东，倾向西南，断层面倾角65°，延展长度150 m，三维地震解释落差0～4 m。该断层在距11302 回风巷48 m 处尖灭，可能延伸至回风巷掘进区域。

NF84 断层，位于11302 进风巷，正断层，走向近南北，倾向东，断层面倾角65°，延展长度60 m，三维地震解释落差0～3 m，预计11302 进风巷揭露落差2 m。该断层走向与11302进风巷近平行。

NF4 断层，位于11302 工作面内部，逆断层，走向近南北，倾向西，断层面倾角55°，延展长度650 m，三维地震解释落差0～16 m。该断层西距11302 进风巷最近40 m，可能延伸至11302 进风巷掘进区域。该断层走向与11302 进风巷斜交。

NF41 断层，位于11302 工作面内部，正断层，走向近南北，倾向东，断层面倾角65°，延展长度200 m，三维地震解释落差0～7 m。该断层南距11302 切眼最近56 m，可能延伸至11302 切眼掘进区域。

NF83 断层，位于11302 工作面内部，正断层，走向近南北，倾向东，断层面倾角65°，延展长度130 m，三维地震解释落差0～3 m。该断层西距11302 进风巷最近55 m，可能延伸至11302 进风巷掘进区域。

1.4 工作面储量

11302 工作面开采区域3 煤层位于分层区，主采3上煤层，开采面积905 140 m2。根据周边地面钻孔资料，开采区域3上煤层厚度2.49～3.1 m，平均2.8 m，3下煤层厚度0～3.53 m，平均2.49 m，煤种为肥煤、1/3 焦煤和气煤。3上煤层储量348.5 万t。

2 工作面设计及调采方案

2.1 原工作面设计方案

11302 进风巷设计长度2856 m（平距），于11302 进风巷停头位置复掘，按163°方位角施工179.9 m，然后调向按209.6°方位角沿煤层底板施工2 676.1 m，至设计位置。

11302 回风巷设计长度3 131.5 m（平距），于11302 回风通道三岔门开门，开门后按209.6°方位角施工3 131.5 m 至设计位置。

11302 切眼沿60 m 防隔水煤柱线布置，设计长度400 m（平距），于11302 进风巷东帮开门，开门后按119.6°方位角掘进，垂直于工作面进回风巷。11302 切眼原设计方案如图2。

图2 11302 切眼原设计方案

2.2 优化后设计方案

11302 进风巷设计长度3 067.6 m（平距），于11302 进风巷停头位置复掘，按163°方位角施工179.9 m，然后调向按209.6°方位角沿煤层底板施工2 661.7 m，然后按204.8°方位角施工62.7 m，然后按196°方位角施工76.4 m，然后按185.9°方位角施工86.9 m，至设计位置。

11302 回风巷设计长度3 131.5 m（平距），于11302 回风通道三岔门开门，开门后按209.6°方位角施工3 131.5 m 至设计位置。

11302 切眼沿60 m 防隔水煤柱线布置，设计长度400 m（平距），于11302 进风巷东帮开门，开门后按89.6°方位角掘进，与11302 回风巷夹角120°。11302 切眼优化后方案如图3。

图3 11302 切眼优化后方案

2.3 工作面调采方案

2.3.1 调采方案选择

1）因调采完毕后前部运输机及转载机均会上窜，为避免上窜太多，计划完全调采完毕后，再正规推采5～8 个循环后开始正常推采。

2）根据调采角度，确定下端头距离工作面下巷距离，根据距离确定增加支架位置，提前将支架放入指定位置，待工作面推采至指定位置后，便于直接安装支架。

3）采用虚实心结合方式调采，调采工作面上部采用调采与推进相结合的方式，使上部端头支架处于间歇前移状态，确保顶板支护可靠，支架正常。

2.3.2 循环内调采刀数的确定

由于工作面切眼与工作面回风巷呈120°夹角，工作面上端头超前工作面下端头200 m，开采初期按照19/1 的比例进行调采，直至工作面轨迹垂直于进回风巷。按照1:19 调采为1 个大循环，即溜头推进1 茬、溜尾推进19 茬方式，割正规循环时支架向下调整。为了保证切割出标准的循环面积，每一短刀的切割线必须平行于长刀切割线，而每次短刀切割之后必然在工作面出现拐点，每个拐点的弯曲角度不能大于工作面输送机允许的弯曲角度。又由于每个拐点的弯曲角度与整个切割循环的转角相等，因此切割循环的转角α也不得大于工作面输送机设计允许弯曲的角度α'[4]，即：

式中：m为循环内调采切割刀数；B为正规循环进尺，即采煤机截深，0.8 m；L为工作面长度，400 m。

则循环内调采切割刀数m：

11302 工作面快速过渡切割循环对应的循环转角可按输送机可弯曲角度α'= 2°计算。

则m=400 m×tan（2°/0.8 m）=17.5 ≈18 刀。2.3.3 循环转角的确定

循环内切割刀数为18 刀，则完成一次调斜循环，其循环转角：

2.3.4 推采循环数（N）的确定

根据工作面运输机允许最大水平弯曲角，推采转角2.06°，工作面调采调向30 °，则推采循环数（N）[5]：N=β/α=14.6 ≈15。

即：推采15 个循环后完成工作面调采，实现30°调向。

2.3.5 调采循环总刀数的确定

要完成工作面旋转30°，15 个推采循环共需要总刀数（不包括推移机头通刀数）： 每推采循环移溜头、松机割通刀一茬，共15 茬。调采总刀数：270+15=285 刀。

2.3.6 调采施工要求

1）旋转调采过程中，工作面要及时调整支架，保证齐直，其偏差不大于±50 mm；保证支架与运输机的夹角控制在±5°以内，支架不挤架、不咬架；保证拐点处的支架可超前拉架（超前拉4～6 架），并升紧顶梁和前探梁。

2）调采期间，必须加强工程质量管理，严格按照正规操作程序施工，工作面采高控制均匀，顶煤割平；当工作面局部出现片帮时，及时超前拉架，并进行二次注液。

3）调采过程中运输机受搭接影响，可能会出现拉回煤现象，由地面集控人员时刻监视运输机电流状态，运输机电流超过180 A 时及时提醒工作面人员控制好煤量。

4）使用千斤顶或单体支柱调整支架架间隙，供液前，必须检查管路连接是否合格、安放是否平稳，合格后方可供液，人员必须远距离供液，缓慢供液。

5）调采期间工作面上下出口不畅通时需安设专用人行过桥，保证人员正常通行，若现场无法安设过桥，人员跨过运输机时必须将运输机停电闭锁。

6）每次进入工作区域作业前，首先用长把工具对施工现场周围的顶板和煤帮进行敲帮问顶，认真检查作业区域内的顶板及煤帮的支护状况，发现问题及时整改，确认安全后必须安排专人站在安全的地方观察监护。

7）使用单体液压支柱顶推前部运输机，必须采用“远距离”供液方式，且单体支柱两端要加木剎以防打滑，并保持面接触。在给单体支柱供液前，必须检查管路连接是否合格、单体支柱安放是否平稳，合格后方可供液。供液时，采取5 m 以上远距离供液方式缓慢供液。操作过程中，操作人员不少于两人，并且密切配合，将支柱两端顶在溜尾可靠位置，与溜尾接触部位垫上木剎，严禁铁对铁接触。当人员撤离到人行道安全地点以后，方可对支柱采用远距离供液，并根据溜槽间距及时调整供液。

2.3.7 调采注意事项

1）调采开始前，需要控制好前部运输机，尽量将前部运输机头下移，增大机头到卸载线距离。调采过程中，前部运输机头运动轨迹与皮带中心线保持最小间距。

2）调采过程中，根据前部运输机、支架与煤壁的相对关系，可适当结合纯实心调采工艺推采。

3）调采后，因上部端头架与中间架角度发生改变，可能会导致支架间隙增大，为避免漏顶，需提前处理。

4）加强前期矿压观测工作，摸清工作面调采期间的岩梁位态。工作面推至距皮带中心线交点10 m 时，全面停止放煤，以改善上覆岩梁位态，防止岩梁复合作用。

5）由于工作面前部运输机间距7.6 m，调斜30°开采，两机头最大错茬可达3.46 m。

6）工作面调采时，需及时调整运输机与支架状态，保证运输机与煤壁平行、支架中心线与运输机垂直。专业盯班人员全程落实方案技术措施，严格控制工作面施工质量。

7）加工专用调架千斤顶。

8）移溜拉架由调采起始点开始，避免发生咬架、挤架、运输机起拱。

2.4 应用效果分析

11302 工作面布置优化后，可实现不增加支架调采，减少工作面增减支架工序，降低工作量。通过调采增加工作面南部可采面积44 100 m2，工作面平均煤厚2.8 m，可多回收煤炭资源16.8 万t。按吨煤平均售价1420 元计算，创效2.39 亿元。

2.5 下一步优化方向

下一步对南侧40 m 隔水煤柱区域内开采进行安全性论证，通过后切眼继续外移布置。如图4。

图4 11302 切眼下一步优化方案

3 结语

以保证安全生产为前提，以提高工作面的生产效率和经济效益为目标，采用先进的生产技术、工艺、设备等手段，对11302 工作面切眼布置进行了优化方案设计。在工作面原切眼处通过三次调整施工方位角，增加工作面南部可采面积44 100 m2，多回收煤炭资源16.8 万t，最大限度地回收煤炭资源，实现安全高效开采，符合《煤矿安全规程》和有关安全生产管理规定的要求。