动力灾害矿井松软煤层工作面优化

蒙进宝 孙天宁

（甘肃靖远煤电股份有限公司，甘肃白银 730910）

0 序言

随着矿井进入深部开采，各种灾害叠加，急倾斜煤层倾角大、厚度变化较大、采掘接续紧张等问题需要从工艺进行优化工作是非常关键。急倾斜特厚煤层开采现采用水平分段综采放顶煤开采，从矿井产能低、生产成本高的实际情况来看，通过对急倾斜煤层工作面巷道布置、支护进行优化，提升掘进速度，确保矿井采掘接续正常，降低生产成本，减少灾害影响，有着非常重要的意义。

1 工程背景

王家山煤矿是甘肃靖远煤电股份有限公司的骨干矿井之一，现有一号井和四号井两对生产矿井，其中一号井主回采水平标高1240m，工作面回采标高1270m，埋深达600 米以上。井田内分布有F15、F16和F17断层组，主采煤层为煤2和煤4，煤层赋存于中侏罗统窑街组，整体呈西薄东厚态势，平均厚度13m，平均倾角50.1°，普氏硬度系数f介于0.8～1.5之间。经煤岩冲击倾向性鉴定，煤2 和煤4 均具有冲击倾向性，冲击危险性评价一号井属弱冲击危险性矿井。受冲击地压灾害影响，矿井采掘不平衡，工作面接续紧张，给矿井造成重大事故隐患。如何突破传统思维，从设计源头上防治动力灾害，为加快巷道掘进速度创造有利条件，成为解决接续问题的重点研究对象。

2 影响巷道施工进度因素分析

一号井二采区首采工作面为二201工作面，工作面走向610 米，掘进总工程量1441 米，2019 年9 月7日开口，采取运输顺槽滞后回风顺槽150米双头并进方式掘进，于2021 年1 月10 掘进结束。根据二201工作面两道实际掘进情况分析，影响掘进速度的因素分析如下。

2.1 掘进期间灾害治理占用时间长

二201 工作面煤层冲击危险性评价为中等冲击危险，两道在施工过程中要实施冲击地压防治措施，每天早班掘进之前在掘进工作面正前、退后20m、40m、60m 处共施工4 组8 个钻孔进行钻屑监测，用时3～4 小时；掘进工作面正前每掘进22m 施工一个Φ 80mm、深度30m 的高压注水钻孔和3个Φ100mm、深度30m 大直径卸压空孔，用时1～1.5 天，每月影响2～3天；落实冲击地压煤层掘进工作面每班警戒区域内进入人员不得超过9 人之规定，除安检员1 人、瓦检员1 人、取钻屑人员3 人外，工作面实际掘进工4人，导致后巷架棚加强支护与掘进头锚网索掘进支护不能平行作业，早班停掘架棚，中、夜班各掘进一网，即每月影响10天。

2.2 巷道埋深大，地质构造复杂，地应力大

二201 工作面埋深达622 米，上覆岩层厚，垂直应力大；成煤地层受F15、F16 和F17 断层组影响，构造应力大；受断层破碎带影响，煤质松软破碎，锚网索支护巷道成形难以控制，多以手工挖掘方式施工，日进度平均仅1.4m（月进度35m 左右），易发生抽冒顶事故，曾多次出现钻屑值超过预警临界值，巷道收敛变形量大（底鼓量达0.8～1.5m），被迫增加40U 型钢支架加强支护（滞后工作面5m 架棚），多次人工反复下底清理。

2.3 综掘设备效能发挥不充分

由于煤质松软破碎，只能采取人工“挖一锚一”支护顶部锚杆后，方可使用综掘机截割、出煤，不能全断面一次性截割成巷利用多台锚杆钻机同时进行作锚网支护作业。

3 工作面优化设计方案

3.1 优化设计方案工作面概况

二202 工作面是二201 工作面的接替工作面，位于一号井二采区东翼，西以1270分层石门为界，邻于二201 工作面；东部及北部以矿权边界为界，北部邻于靖远县王家山煤业有限公司王家山煤矿，南部尚未开采，对应地面标高为1850～1917m，工作面标高1271～1295m，最大埋深622m，主采煤2，煤层走向247～253°，倾向南东，倾角60～78°，厚度15.4～43.2m，煤层顶底板起伏变化大，赋存不稳定。根据钻探及石门揭露资料，工作面以北16～61m（法线距离）发育有F16 逆断层，断层产状：70～91°S∠58～81°，落差大于150m，预计工作面掘进至415～430m处时将穿过F16 逆断层，对煤层连续性造成破坏，发生冲击地压的可能性较大。

3.2 设计方案的优化

1）优化巷道布置方式。将原来两道沿煤层顶底板布置的煤巷，调整布置在顶底板岩层中，一是冲击危险性大大降低；二是岩巷掘进，掘进头正前不再施工高压注水和大直径卸压钻孔；三是不需要进行钻屑监测；四是能全断面一次性截割成巷，减少工序影响。

2）简化施工工序。巷道布置由煤巷调整为岩巷后，对原支护方式同时进行调整，取消套架钢支架加强支护。

3）调整底板巷（运输顺槽）坡度。将工作面布置由原水平分段布置方式调整为正斜切分段布置，增加工作面倾向长度。

4）加强局部松软煤层段支护强度。两道穿松软煤层段的巷道支护方式在原锚网索支护基础上，每隔5m 在拱部增加一排Φ21.8×4500mm 的钢绞线配合宽度275mm的“W”钢带进行护表支护。

4 实施效果

1）通过调整巷道布置方式、改变支护方案，简化施工工序，巷道施工速度明显提高，二202 工作面设计走向长919 米，总工程量2024 米，2020 年10 月24日开工，运输顺槽滞后回风顺槽150 米双头掘进，2021 年11 月18 日完工，日进度最高达到4.9m，平均3.5m,月进度平均达到88m。

2）通过将两顺槽布置在顶、底板岩层中，调整底板巷（运输顺槽）坡度，工作面倾斜长度由7m 增加至18.5m，保证了工作面回采设备正常运行所需的几何尺寸（后期煤层较薄，若在煤层中布置两道，工作面倾斜长度仅7m,刮板输送机运行的最短长度需8～10m 左右），同时使工作面可采走向长度增加547m，两顺槽顶部的三角煤全部回收，减少了煤炭资源损失，提高了回收率7%。

3）松软破碎煤层段巷道支护，在锚网索基础上增加“W”钢带和40U 钢棚，提高了护表强度。同时，缩短了主动支护与被动支护的间隔时间。实践证明，穿煤段巷道收敛变形得到有效控制，稳定性增强，支护可靠性提高。工作面后期两道布置在顶底板岩层中，以岩代煤布置，围岩条件改善，巷道成形更易于控制，巷道自身承能力增强。

5 结语

该优化方案针对王家山煤矿一号井冲击地压条件下急倾斜厚度12～15m 的松软煤层实际，打破回采巷道布置于煤层中的传统惯例，通过以岩代煤方式，有效避开了冲击地压危险区域和掘进扰动应力叠加的影响，提高了掘进速度，使工作面接续得到保障；满足了工作面回采设备运行的最短必要长度，使设备运行更加可靠；提高了复杂地质条件下资源回收率。该优化方案对其它冲击地压矿井急倾斜软煤层类似条件下工作面布置提供了有益的借鉴经验，具有较高的推广应用价值。