田 柯，任亞軍，徐春虎，武 超

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

超長(zhǎng)推進(jìn)距離工作面(一般超過(guò)3000m)開(kāi)采過(guò)程中，常采用雙巷布置，留設(shè)較大的區(qū)段煤柱，降低了回采率[1-4]。為了節(jié)約資源，有效降低煤損，目前已有許多礦區(qū)摒棄了傳統(tǒng)意義上的大尺寸區(qū)段煤柱，均使用沿空掘巷無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)[5-11]。由于雙巷掘進(jìn)可滿(mǎn)足連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)及巷道掘進(jìn)通風(fēng)及輔助運(yùn)輸問(wèn)題，因此沿空掘巷技術(shù)在超長(zhǎng)推進(jìn)距離工作面的應(yīng)用較少。同時(shí)留窄煤柱沿空掘巷須在采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，因此工作面大多采用跳采的布置方式，這樣不利于采掘接替，并隨之產(chǎn)生孤島工作面。本文針對(duì)高強(qiáng)度、超長(zhǎng)推進(jìn)距離工作面雙巷掘進(jìn)面臨的問(wèn)題及沿空掘巷技術(shù)應(yīng)用存在的困難展開(kāi)研究，提出了超長(zhǎng)推進(jìn)距離工作面順采沿空掘巷技術(shù)。

1 工程概況

察哈素煤礦31采區(qū)開(kāi)采的31303大采高綜采工作面為第一水平第二個(gè)工作面，北東為31301工作面。31303工作面推進(jìn)距離長(zhǎng)4652m(后期調(diào)整為4500m)，工作面寬300m，采高6m，采用雙巷布置，巷間留設(shè)18m護(hù)巷煤柱，聯(lián)絡(luò)巷間隔50m。31301工作面輔助運(yùn)輸巷同時(shí)保留作為31303工作面回風(fēng)巷道，所以其經(jīng)歷兩次采動(dòng)影響。但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果顯示，在經(jīng)歷一次采動(dòng)影響后，巷道即發(fā)生劇烈變形，頂?shù)装逡平孔畲蟪^(guò)2.2m，底鼓嚴(yán)重，兩幫移近量也較大。因此，輔助運(yùn)輸巷在18m的護(hù)巷煤柱保護(hù)下，在一次采動(dòng)影響下已發(fā)生劇烈變形和破壞，已無(wú)法承受二次采動(dòng)的影響。

針對(duì)上述問(wèn)題礦方曾建議增大煤柱寬度，將煤柱寬度尺寸由原來(lái)的18m增加到40m，盡量減少下區(qū)段工作面回風(fēng)巷道受到的采動(dòng)影響。但增大煤柱尺寸，極大地增加了煤炭損失，僅相鄰工作面之間煤柱損失將達(dá)到1.08Mt。因此，急需對(duì)回采巷道布置方式與煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

2 順采沿空掘巷技術(shù)

雙巷掘進(jìn)巷道布置方式，雙巷間留設(shè)大煤柱，保護(hù)下區(qū)段巷道避免采動(dòng)劇烈影響，雖有利于巷道的快速掘進(jìn)和通風(fēng)。但存在以下問(wèn)題：一是采用大煤柱護(hù)巷，丟煤嚴(yán)重，嚴(yán)重降低回采率；二是護(hù)巷煤柱要經(jīng)歷兩次采動(dòng)影響，破壞嚴(yán)重，且首采面的輔助運(yùn)輸巷要長(zhǎng)期維護(hù)作接續(xù)工作面的回風(fēng)巷道，巷道維護(hù)成本高。如采用沿空掘巷技術(shù)，則巷道長(zhǎng)距離通風(fēng)及輔助運(yùn)輸存在困難，且工作面之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)順序開(kāi)采。

為了解決以上問(wèn)題，基于沿空巷道圍巖結(jié)構(gòu)特征和采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，結(jié)合雙巷布置與沿空掘巷技術(shù)，提出超長(zhǎng)推進(jìn)距離工作面順采沿空掘巷技術(shù)，如圖1所示。相鄰工作面采用順序布置，首采工作面雙巷之間采用大煤柱護(hù)巷，使輔助運(yùn)輸巷避開(kāi)側(cè)向支承應(yīng)力的劇烈影響。在首采工作面回采期間，同時(shí)掘進(jìn)巷道4和5到開(kāi)切眼位置，過(guò)接續(xù)面開(kāi)切眼6到達(dá)沿空掘巷位置。由于工作面推進(jìn)距離長(zhǎng)，待首采面推進(jìn)到合適位置，后方采空區(qū)上覆巖層垮落也基本趨于穩(wěn)定，后隨首采面推進(jìn)留窄煤柱分段掘出巷道7。首采工作面回采結(jié)束后，沿空巷道7部分已掘出，當(dāng)接續(xù)工作面設(shè)備安裝完畢即可進(jìn)行回采，實(shí)現(xiàn)掘、采同時(shí)作業(yè)。待接續(xù)工作面回采時(shí)，將大部分煤柱和工作面作為整體回采，僅損失沿空掘巷留設(shè)的窄煤柱。

1—首采工作面回風(fēng)巷道；2—首采工作面運(yùn)輸巷道；3—首采工作面輔助運(yùn)輸巷道；4—接續(xù)工作面運(yùn)輸巷道；5—接續(xù)工作面輔助運(yùn)輸巷道；6—接續(xù)工作面開(kāi)切眼；7—接續(xù)工作面沿空掘巷；8—聯(lián)絡(luò)巷；A-留設(shè)大煤柱；B—沿空掘巷窄煤柱；L1—接續(xù)工作面與掘進(jìn)工作面合理錯(cuò)距；L2—首采工作面和掘進(jìn)工作面合理的錯(cuò)距圖1 順采沿空掘巷技術(shù)巷道布置示意圖

為了解決沿空掘巷期間通風(fēng)問(wèn)題，特制定以下通風(fēng)方式，當(dāng)首采工作面采空區(qū)穩(wěn)定后，即可在雙巷布置下留設(shè)的大煤柱A內(nèi)進(jìn)行沿空掘巷，此時(shí)首采工作面回采和掘進(jìn)工作面掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，通風(fēng)回路如圖2所示。未到達(dá)聯(lián)絡(luò)巷時(shí)，掘進(jìn)面的通風(fēng)回路如圖2(a)所示，在巷道7交界處安設(shè)局扇經(jīng)風(fēng)筒壓入式進(jìn)風(fēng)→掘進(jìn)工作面→巷道5回風(fēng)。當(dāng)掘進(jìn)面到達(dá)第一個(gè)聯(lián)絡(luò)巷時(shí)的通風(fēng)回路如圖2(b)所示，此時(shí)在聯(lián)絡(luò)巷7處安設(shè)局扇經(jīng)風(fēng)筒壓入式進(jìn)風(fēng)，此時(shí)掘進(jìn)面通風(fēng)路線：巷道3進(jìn)風(fēng)→在聯(lián)絡(luò)巷處安設(shè)局扇經(jīng)風(fēng)筒壓入式進(jìn)風(fēng)→聯(lián)絡(luò)巷7→掘進(jìn)工作面→巷道5回風(fēng)。

1—首采面回風(fēng)平巷；2—首采面運(yùn)輸平巷；3—首采面輔助運(yùn)輸平巷；4—沿空掘巷；5—接續(xù)面運(yùn)輸平巷；6—接續(xù)面輔助運(yùn)輸平巷；7—聯(lián)絡(luò)巷；A—留設(shè)大煤柱；B—沿空掘巷窄煤柱圖2 首采面與掘進(jìn)面同時(shí)推進(jìn)時(shí)的通風(fēng)路線圖

當(dāng)首采工作面回采結(jié)束，掘進(jìn)面和接續(xù)面同時(shí)推進(jìn)時(shí)的通風(fēng)路線如圖3所示。當(dāng)接續(xù)面開(kāi)采時(shí)，掘進(jìn)面的通風(fēng)路線為：新鮮風(fēng)流直接從大巷壓入式經(jīng)風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)(如圖3中所示的陰影部分)→掘進(jìn)面→沿空巷道4→聯(lián)絡(luò)巷7→巷道3回風(fēng)。

3—首采面輔助運(yùn)輸平巷；4—沿空掘巷；5—接續(xù)面運(yùn)輸平巷；6—接續(xù)面輔助運(yùn)輸平巷；7—聯(lián)絡(luò)巷；8—密閉；9—局扇和風(fēng)筒；A—留設(shè)大煤柱；B—沿空掘巷窄煤柱圖3 掘進(jìn)面與接續(xù)面推進(jìn)時(shí)的通風(fēng)路線圖

沿空掘巷期間出煤，通過(guò)掘錨機(jī)、梭車(chē)、一號(hào)車(chē)、帶式輸送機(jī)運(yùn)煤。梭車(chē)工作時(shí)將掘進(jìn)出煤從車(chē)廂的裝載端裝入，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的刮板或鏈板運(yùn)輸機(jī)就能自動(dòng)地將它轉(zhuǎn)載到卸碴端，待整個(gè)梭車(chē)裝滿(mǎn)，開(kāi)動(dòng)梭車(chē)至帶式輸送機(jī)處，開(kāi)動(dòng)帶式運(yùn)輸機(jī)，即可將煤巖自動(dòng)卸到一號(hào)車(chē)，再通過(guò)一號(hào)車(chē)轉(zhuǎn)載至帶式運(yùn)輸機(jī)上，如圖4所示，最后經(jīng)輔助運(yùn)輸巷運(yùn)出。

圖4 掘錨機(jī)—梭車(chē)1號(hào)車(chē)巷道掘進(jìn)作業(yè)線設(shè)備空間位置圖(m)

3 順采沿空掘巷技術(shù)關(guān)建參數(shù)分析

3.1 窄煤柱尺寸的留設(shè)

依據(jù)極限平衡理論，極限平衡區(qū)內(nèi)破碎區(qū)和塑性區(qū)都是非彈性承載區(qū)域，在側(cè)向支承壓力作用下，破碎區(qū)煤體發(fā)生破壞，該區(qū)承載能力降低，導(dǎo)致支承應(yīng)力進(jìn)一步向煤體深部轉(zhuǎn)移，而破碎區(qū)煤體支承應(yīng)力降低到原巖應(yīng)力以下，如圖5所示，故在截面CD處滿(mǎn)足邊界條件[12]：

σy|x=Ls=γH

(1)

圖5 一側(cè)采空實(shí)體煤側(cè)支承應(yīng)力分布及分區(qū)圖

式中，σy為實(shí)體煤幫垂直應(yīng)力，計(jì)算公式為：

根據(jù)極限平衡區(qū)計(jì)算公式，將式(2)代入式(1)得到實(shí)體煤幫破碎區(qū)寬度：

將參數(shù)帶入式(3)計(jì)算得到Ls=9.8m。故將沿空巷道布置在采空區(qū)側(cè)實(shí)體煤內(nèi)10m處位置，利于巷道維護(hù)。

3.2 雙巷間煤柱合理尺寸

根據(jù)雙巷間煤柱留設(shè)原則[13]：在采掘支承應(yīng)力作用下，煤柱兩側(cè)發(fā)生塑性變形后，中央應(yīng)仍存在一定寬度的彈性核，且該寬度不應(yīng)小于采高的二倍。

B=x0+2m+x1

(4)

式中，B為煤柱寬度，m；x0為回采空間對(duì)煤柱支承應(yīng)力的極限平衡區(qū)范圍，m；x1為采準(zhǔn)巷道對(duì)煤柱支承應(yīng)力的極限平衡區(qū)范圍，m；m為煤柱高度，m。

運(yùn)用巖體的極限平衡理論，回采空間對(duì)煤柱支承應(yīng)力的極限平衡區(qū)寬度，即支承壓力峰值與煤柱邊緣之間的距離x0為：

式中，K為應(yīng)力集中系數(shù)，取3；γ為巖層平均容重，取2kN/m3；P1為支架對(duì)煤幫的阻力，取0.1MPa；m為煤層開(kāi)采的厚度，取6m；c為煤體的粘聚力，取2.4MPa；φ為煤體的內(nèi)摩擦角，取30°；ε為三軸應(yīng)力系數(shù)；H為采深，取440m；f為煤層與底板接觸面的摩擦系數(shù)，取0.2。

上述參數(shù)代入式(5)，計(jì)算得到工作面開(kāi)采后煤柱采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)寬度是33.7m。

工作面輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)后產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度也可通過(guò)極限平衡理論[14，15]計(jì)算得到：

式中，m為巷道高度，取3.9m；A為側(cè)壓系數(shù)，取0.4；Px為側(cè)向支護(hù)阻力，取0.2MPa。

將有關(guān)參數(shù)代入式(6)計(jì)算得x1=5m，將以上計(jì)算結(jié)果帶入式(4)得：

B=33.7+2×6+5=50.7m

經(jīng)理論計(jì)算一側(cè)采空后31303工作面輔助運(yùn)輸巷的保護(hù)煤柱的寬度為50.7m，實(shí)際留設(shè)的煤柱尺寸偏小，是31301工作面回采時(shí)輔助運(yùn)輸巷發(fā)生大變形與破壞主要原因。

3.3 沿空掘巷合理錯(cuò)距

隨著工作面的推進(jìn)，從工作面煤體前方到采空區(qū)應(yīng)力分布如圖6所示[16]，依次為原巖應(yīng)力區(qū)a、超前支承應(yīng)力區(qū)b、減壓區(qū)c、后方支承應(yīng)力區(qū)d、采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)e。為了避免工作面開(kāi)采動(dòng)壓的影響，將掘進(jìn)工作面布置在采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，有利于巷道掘進(jìn)和維護(hù)。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的31301工作面輔助運(yùn)輸巷道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示，在經(jīng)連續(xù)觀測(cè)后，當(dāng)輔助運(yùn)輸巷測(cè)點(diǎn)距離工作面超過(guò)1042m之后巷道變形才趨于一穩(wěn)定值，可認(rèn)為工作面后方采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)已經(jīng)穩(wěn)定。因此，首采工作面和掘進(jìn)工作面之間合理的錯(cuò)距L2應(yīng)在1050m以上。

圖6 采場(chǎng)前后方應(yīng)力分布示意圖

圖7 31301工作面輔助運(yùn)輸巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

為了避免接續(xù)工作面采動(dòng)對(duì)掘進(jìn)工作面影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)31301工作面主運(yùn)巷道受工作面超前采動(dòng)影響表面位移變化曲線如圖8所示，由圖8可知，工作面超前支承應(yīng)力影響范圍最大190m，因此確定掘進(jìn)工作面與接續(xù)工作面錯(cuò)距L1應(yīng)在190m以上。

圖8 31301工作面主運(yùn)巷道受超前支承應(yīng)力影響的巷道表面位移變化曲線

4 順采沿空掘巷技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果分析

基于以上研究分析，現(xiàn)場(chǎng)在31303工作面與其接續(xù)工作面31305之間留50m大煤柱后，接續(xù)工作面31305工作面推進(jìn)距離將達(dá)到5000m，待31303工作面推進(jìn)1500m后，在大煤柱采空區(qū)側(cè)留10m窄煤柱沿空掘巷，對(duì)沿空巷道圍巖變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，沿空巷道圍巖變形量曲線如圖9所示。

圖9 沿空巷道圍巖變形量曲線

由圖9可知，在31303工作面回采期間，沿空巷道圍巖變形量較小，表明沿空巷道受31303工作面采動(dòng)影響較小，且接續(xù)工作面31305回采時(shí)可多回收1.2Mt煤炭資源，極大地提高了資源回收率。

5 結(jié) 論

1)針對(duì)察哈素煤礦超長(zhǎng)推進(jìn)距離工作面雙巷掘進(jìn)面臨的問(wèn)題及沿空掘巷技術(shù)應(yīng)用存在的困難，提出了超長(zhǎng)推進(jìn)距離工作面順采沿空掘巷技術(shù)，介紹了沿空掘巷順序接替期間通風(fēng)和出煤方式。

2)結(jié)合理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，確定了順采沿空掘巷技術(shù)中雙巷間煤柱合理留設(shè)尺寸為50m，沿空掘巷窄煤柱留設(shè)尺寸為10m，掘進(jìn)工作面與接續(xù)工作面之間合理錯(cuò)距L1須在190m以上，首采工作面和掘進(jìn)工作面之間合理錯(cuò)距L2在1050m以上。

3)在接續(xù)工作面31305進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在與上區(qū)段工作面保持合理錯(cuò)距的情況下，沿空掘巷圍巖變形量較小，實(shí)現(xiàn)了沿空掘巷技術(shù)，在大采高超長(zhǎng)推進(jìn)距離工作面順序開(kāi)采的成功應(yīng)用。