李 海，李 川

（神東煤炭集團(tuán) 安全監(jiān)察局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

煤礦采煤生產(chǎn)布局[1]是煤炭開采過程中的1項(xiàng)重要技術(shù)工作，煤礦生產(chǎn)布局的合理性直接影響煤礦開采效率、安全。近年來，隨著采掘作業(yè)的不斷深入，掘進(jìn)巷道支護(hù)強(qiáng)度的加大、綜采工作面回采過程中鄰空巷道受二次采動應(yīng)力疊加作用影響[2]、采空區(qū)防滅火等問題逐步凸顯出來，成為阻礙煤炭企業(yè)持續(xù)安全高效運(yùn)行的主要因素。如何解決鄰空巷道受二次采動應(yīng)力疊加作用、簡化礦井通風(fēng)系統(tǒng)、降低礦井防滅火壓力也成為日后面對復(fù)雜條件下煤礦安全發(fā)展所面臨的主要問題?；谏鲜鰡栴}，從理論和實(shí)際2方面對盤區(qū)內(nèi)順序接替開采生產(chǎn)布局[3]和跳躍式采煤生產(chǎn)布局進(jìn)行了詳細(xì)的分析，系統(tǒng)性的總結(jié)了2種采煤生產(chǎn)布局方式的特點(diǎn)，為煤礦在復(fù)雜條件下安全采煤提供了參考依據(jù)。

1 盤區(qū)內(nèi)順序接替開采生產(chǎn)布局

1.1 盤區(qū)內(nèi)順序接替開采

盤區(qū)內(nèi)順序接替開采生產(chǎn)布局是指在盤區(qū)內(nèi)按照設(shè)計(jì)好的回采工作面接替進(jìn)行回采。常見的布置方法是對采煤工作面布置3條巷道（即輔助運(yùn)輸巷道、運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道），采用“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)方式，當(dāng)該采煤工作面回采結(jié)束后，緊接著開采相鄰的采煤工作面，而該工作面的輔運(yùn)巷道作為相鄰采煤工作面的回風(fēng)巷道使用。

1.2 盤區(qū)內(nèi)順序接替開采生產(chǎn)布局分析

隨著多數(shù)礦井水平的不斷延伸，開采進(jìn)入深部區(qū)，地質(zhì)條件逐漸變得復(fù)雜，所采煤層的埋深逐步加大，頂板破碎，礦壓顯現(xiàn)較明顯，盤區(qū)內(nèi)順序接替開采生產(chǎn)布局在部分礦井逐步顯現(xiàn)出了一些弊端，對于煤礦的安全回采受到了一些影響和制約。

1.2.1 礦山壓力顯現(xiàn)

某礦大量數(shù)據(jù)表明，采煤工作面在回采過程中端頭礦壓顯現(xiàn)[4]比較強(qiáng)烈，但其頂板垮落的規(guī)律與回采工作面有所不同，工作面回采后所產(chǎn)生的支承壓力，在工作面前后方一定范圍內(nèi)引起巷道較為劇烈的變形，而頂板下沉速度的峰值一般在工作面后方10 m左右。通過多年采空區(qū)地表塌陷坑測量及井下壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集顯示，采煤工作面回采過程中支撐應(yīng)力影響范圍在煤巷推進(jìn)方向0～60 m左右、工作面兩側(cè)方向0～80 m左右，由于各礦上覆巖層構(gòu)造不同故波及范圍有一定的變化。由此可見，回采過程中留有充足的支撐應(yīng)力重新平衡穩(wěn)定時間，有效避開二次采動應(yīng)力疊加對于礦井安全回采的意義所在。盤區(qū)內(nèi)順序接替開采跳采示意圖如圖1。

圖1 盤區(qū)內(nèi)順序接替開采跳采示意圖Fig.1 Schematic diagram of skip mining of sequential replacement mining in panel area

盤區(qū)內(nèi)順序接替開采生產(chǎn)布局導(dǎo)致采煤工作面回采結(jié)束后沒有留有充足的支撐應(yīng)力重新平衡穩(wěn)定時間，原有的支撐應(yīng)力沒有充分釋放，緊接著掘進(jìn)或開采相鄰的工作面，受二次采動影響的支撐應(yīng)力[5-6]將疊加在鄰空巷道和隔離煤柱上，在掘進(jìn)、回采期間不同程度的出現(xiàn)頂板下沉、底鼓、煤壁片幫等礦壓明顯顯現(xiàn)的現(xiàn)象，給掘進(jìn)、采煤期間的安全管理增加了難度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，多數(shù)礦井的采煤工作面受二次采動影響不同程度的出現(xiàn)了回風(fēng)巷（即鄰空巷道）頂板離層、副幫片幫等現(xiàn)象，更有甚者出現(xiàn)鄰空巷道錨桿、錨索彈出的動力現(xiàn)象。

同時，受二次采動支撐應(yīng)力疊加現(xiàn)象的影響，對于采煤工作面液壓支架及超前支架的工作阻力需求越來越大。據(jù)了解，多數(shù)礦井不同程度上較過去液壓支架的工作阻力提高了很多，超前支架的工作阻力也在不斷加大。

1.2.2 通風(fēng)系統(tǒng)

由于盤區(qū)內(nèi)順序接替開采生產(chǎn)布局和接續(xù)計(jì)劃的需求，礦井在掘進(jìn)煤巷時需要采用連采機(jī)雙巷掘進(jìn)或2套掘錨機(jī)雙巷掘進(jìn)工藝，常規(guī)掘進(jìn)時每隔50 m施工1個聯(lián)巷，以確保實(shí)現(xiàn)全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)掘進(jìn)速度還要打設(shè)臨時閉墻及時封閉聯(lián)巷[7]，以免造成風(fēng)流不穩(wěn)定現(xiàn)象；在采煤工作面回采過程中，還需要專門的人員在聯(lián)巷施工一般防火密閉，以及后續(xù)的通風(fēng)設(shè)施管理、檢查、維護(hù)等工作，再加上準(zhǔn)備巷道的增多，無疑對于礦井在通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、局部通風(fēng)系統(tǒng)管理及通風(fēng)設(shè)施管理方面均增加了難度。

1.2.3 隱患管理

由于盤區(qū)內(nèi)順序接替開采生產(chǎn)布局沒有留有充足的采空區(qū)頂板垮落、支撐應(yīng)力重新平衡穩(wěn)定的時間，在相鄰工作面回采過程中面臨著回風(fēng)隅角有害氣體體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)、氧氣體積分?jǐn)?shù)低以及頂板懸頂面積大（尤其是過聯(lián)巷時）等隱患[8-9]；甚至有的礦井在鄰空巷道側(cè)距采煤工作面提前2～3個聯(lián)巷已出現(xiàn)有害氣體超標(biāo)的問題，根本原因還是由于聯(lián)巷密閉不足以承受二次采動應(yīng)力疊加，閉墻壓裂、“跑風(fēng)漏氣”，導(dǎo)致采空區(qū)有害氣體涌出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上述隱患無論從涉及范圍還是治理難度方面均呈逐步加大趨勢。

2 跳躍式采煤生產(chǎn)布局

2.1 跳躍式采煤生產(chǎn)布局

跳躍式采煤（以下簡稱“跳采”）生產(chǎn)布局是指改變盤區(qū)內(nèi)回采工作面的布置、開采順序，跳躍式的進(jìn)行回采，以便于最大限度的給于封閉工作面充足的支撐應(yīng)力重新平衡穩(wěn)定時間，將對鄰空巷道和隔離煤柱所受到的壓力充分釋放，避免相鄰工作面回采時受二次采動應(yīng)力疊加影響對鄰空巷道的破壞，確保相鄰工作面安全回采。

按照礦井產(chǎn)量和采掘接續(xù)計(jì)劃的要求布置多個盤區(qū)，各盤區(qū)內(nèi)布置1個采煤工作面，待盤區(qū)內(nèi)某個工作面回采結(jié)束后搬至其他盤區(qū)進(jìn)行回采，當(dāng)該盤區(qū)封閉工作面支撐應(yīng)力重新平衡穩(wěn)定后，再掘進(jìn)該盤區(qū)與封閉工作面相鄰采煤工作面的巷道，以此不斷跳采，實(shí)現(xiàn)分區(qū)布置、分區(qū)掘進(jìn)、分區(qū)開采。盤區(qū)間跳采示意圖如圖2。

圖2 盤區(qū)間跳采示意圖Fig.2 Schematic diagram of skip mining between panels

如果礦井布置多盤區(qū)困難時，也可在1個盤區(qū)內(nèi)實(shí)行采煤工作面跳采，具體盤區(qū)內(nèi)跳采分為2種方式：從盤區(qū)的兩翼向中間依次進(jìn)行跳采（圖3），和從盤區(qū)的中間向兩翼依次進(jìn)行跳采（圖4）?？傊粲谐渥愕闹螒?yīng)力重新平衡穩(wěn)定時間，避免鄰空巷道受二次采動應(yīng)力疊加的影響。

圖3 盤區(qū)內(nèi)跳采示意圖（兩翼向中間）Fig.3 Schematic diagram of skip mining in the panel 1

2.2 跳躍式采煤生產(chǎn)布局的優(yōu)勢

2.2.1 礦山壓力顯現(xiàn)

圖4 盤區(qū)內(nèi)跳采示意圖（中間向兩翼）Fig.4 Schematic diagram of skip mining in the panel 2

跳采生產(chǎn)布局在采煤工作面回采結(jié)束后，留有充足時間使支撐應(yīng)力重新平衡穩(wěn)定，將對鄰空巷道和隔離煤柱所受到的壓力充分釋放，在掘進(jìn)相鄰工作面煤巷或開采相鄰工作面時，能夠有效的避開二次采動應(yīng)力疊加對鄰空巷道的影響，最大限度的減小鄰空巷道及保護(hù)煤柱的受力狀態(tài)，為相鄰采煤工作面的安全回采提供保障。

從部分礦井采掘接續(xù)看，其實(shí)有些礦井在采煤工作面布置方面由于特殊原因存在極少數(shù)的間接跳采行為，而通過訪談這些礦井的各級管理人員、現(xiàn)場作業(yè)人員及收集礦壓數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鄰空巷道放置一定時間后，在回采相鄰工作面過程中壓力顯現(xiàn)明顯變?nèi)酢?/p>

2.2.2 掘進(jìn)工藝

跳采生產(chǎn)布局將打破原有的采煤工作面煤巷巷道布置方式，由原來的3條煤巷（即輔運(yùn)巷、運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷）變?yōu)?條（即運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷），由原來的連采機(jī)雙巷掘進(jìn)或2套掘錨機(jī)雙巷掘進(jìn)工藝改變?yōu)閱翁拙蝈^機(jī)單巷掘進(jìn)工藝，由原來掘進(jìn)時常規(guī)每隔50 m施工1個聯(lián)巷改變?yōu)榘凑宅F(xiàn)場實(shí)際需求每隔200 m施工1個調(diào)車硐室即可，節(jié)省無用巷道，提升有效巷道掘進(jìn)量，同時單巷掘進(jìn)工藝相比雙巷掘進(jìn)工藝，在各施工系統(tǒng)組織方面更加簡單、安全。

2.2.3 通風(fēng)系統(tǒng)

跳采生產(chǎn)布局致使掘進(jìn)工藝的改變，將全面取消雙巷掘進(jìn)過程中常規(guī)每50 m施工的聯(lián)巷，取而代之的是單巷掘進(jìn)過程中常規(guī)每200 m施工的調(diào)車硐室，而聯(lián)巷間施工的臨時閉墻以及后續(xù)施工的一般防火密閉也將不復(fù)存在，這樣無論是在礦井安全管理的角度還是礦井通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化[10-11]、通風(fēng)設(shè)施管理方面都將是一次有效的提升。

2.2.4 隱患管理

跳采生產(chǎn)布局的應(yīng)用將回采過程中的一般防火密閉全部由實(shí)體煤柱替代，無論從抗壓強(qiáng)度還是安全可靠方面均得到整體提升，而原有的“一般防火密閉施工質(zhì)量差、閉墻壓裂、“跑風(fēng)漏氣等隱患”將從源頭上得到根除，有效推動礦井防滅火工作。

相鄰工作面回采過程中回風(fēng)隅角的有害氣體多數(shù)是從鄰近采空區(qū)而來（存在上覆采空區(qū)的除外），而短時間內(nèi)整體壓裂隔離煤柱的情況很少，多數(shù)是由于聯(lián)巷間的一般防火密閉承受不住支撐應(yīng)力疊加而發(fā)生垮塌，導(dǎo)通相鄰采空區(qū)，有害氣體涌出。跳采生產(chǎn)布局一方面留有充足的支撐應(yīng)力重新平衡穩(wěn)定時間，封閉工作面的頂板將會進(jìn)一步垮落、塌實(shí)，另一方面一般防火密閉全部由15 m厚的實(shí)體煤柱替代，那么相鄰工作面進(jìn)行回采時回風(fēng)隅角有害氣體[12]、上下煤巷采空區(qū)懸頂面積大[13-14]（尤其是過聯(lián)巷時）等隱患將得到有效緩解，為作業(yè)人員的安全提供保障。

3 跳躍式采煤生產(chǎn)布局面臨的問題及措施

3.1 單巷掘進(jìn)過程中面臨長距離供風(fēng)

當(dāng)采用跳采生產(chǎn)布局時，進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷均采用單巷掘進(jìn)工藝，局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行長距離供風(fēng)[15-17]存在困難。

解決措施：給礦井配置大功率的局部通風(fēng)機(jī)，以滿足長距離掘進(jìn)局部通風(fēng)的需求；進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷同時掘進(jìn)，在煤巷總長度施工到一半時進(jìn)行貫通（即施工工作面腰巷），形成全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)，然后將局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行前移，之后繼續(xù)掘進(jìn)進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷。

3.2 單巷掘進(jìn)過程中的運(yùn)輸問題

由于煤巷掘進(jìn)均采用單巷掘進(jìn)工藝，在掘進(jìn)過程中要在運(yùn)輸巷行車運(yùn)人、運(yùn)料。

解決措施：在巷道設(shè)計(jì)時適當(dāng)放寬巷道寬度，巷道行車過程中實(shí)行“人員、車輛錯開通過”的原則即可。目前一些礦井在使用掘錨、綜掘機(jī)時并沒有暴露出運(yùn)輸?shù)膯栴}，因此單巷掘進(jìn)過程中的運(yùn)輸問題已然解決。

3.3 形成的孤島工作面安全回采

通過對部分孤島工作面礦壓觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析[18-19]，并與現(xiàn)場管理人員交流得出以下規(guī)律：孤島工作面開采期間初次來壓步距和周期來壓步距較之前工作面縮短，周期來壓不同步，工作面中部區(qū)域先來壓，兩端區(qū)域后來壓，但來壓的持續(xù)距離大致相等，工作面中部周期來壓顯現(xiàn)明顯，兩端頭周期來壓顯現(xiàn)較中部??；孤島工作面來壓期間工作面頂板漏冒現(xiàn)象比較嚴(yán)重，尤其是中部；孤島工作面開采期間周期來壓步距及強(qiáng)度均與工作面埋深、上覆基巖厚度、采高、工作面設(shè)計(jì)寬度、推進(jìn)速度、地表狀況等因素有關(guān)。

3.3.1 應(yīng)對措施

1）回采前收集孤島工作面上覆基巖巖性、厚度及松散層厚度的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，充分掌握孤島工作面地表溝谷、高山詳細(xì)情況；在生產(chǎn)布局時要充分考慮孤島工作面的設(shè)計(jì)寬度、并通過頂?shù)装鍘r層強(qiáng)度選擇有富裕系數(shù)的工作阻力液壓支架。

2）回采期間加大頂板、兩煤巷的礦壓觀測并詳細(xì)記錄，準(zhǔn)確地摸清工作面周期來壓規(guī)律和來壓期間工作面各個地段的壓力數(shù)值，便于提前實(shí)施針對性的應(yīng)對措施。

3）回采期間加大機(jī)電設(shè)備的檢修力度，保證機(jī)電設(shè)備完好運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)性，防止因設(shè)備故障而發(fā)生意外事故。

4）回采來壓期間要加快推進(jìn)速度（“甩掉”壓力），及時跟機(jī)拉超前架，防止出現(xiàn)漏冒型頂板事故和“壓死”支架的現(xiàn)象出現(xiàn)；同時要及時打出護(hù)幫板并緊貼煤壁，防止片幫煤傷人。

5）針對回采孤島工作面期間可能產(chǎn)生的危險情況和事故要提前考慮周全，制定有針對性的安全技術(shù)措施[20]，一旦出現(xiàn)情況及時實(shí)施，盡量將事故和損失降到最小。

3.3.2 塌陷角管理

通過對礦井采煤工作面回采結(jié)束后地表塌陷情況分析，并采用GPS手持式導(dǎo)航儀對采煤工作面巷道和地表塌陷邊緣進(jìn)行精準(zhǔn)定位發(fā)現(xiàn)：采煤工作面回采結(jié)束后，由于煤層頂板巖性和煤層埋深的不同，地表塌陷范圍沿采煤工作面兩煤巷向外巖層呈α（α=75°～80°）角度擴(kuò)散塌陷，松散層呈θ（θ=45°）角度擴(kuò)散塌陷，也就是說地表塌陷面積要比采煤工作面面積大。孤島工作面塌陷示意圖如圖5。

圖5 綜采工作面塌陷示意圖Fig.5 Collapse diagram of fully mechanized working face

因此，從塌陷角原理可以看出，當(dāng)采用跳躍式采煤生產(chǎn)布局形成孤島工作面后，留有充足時間使支撐應(yīng)力重新平衡穩(wěn)定，使鄰空巷道和隔離煤柱所受到的壓力充分釋放，理論上講，在開采孤島工作面時將會比開采之前工作面頂板受壓狀態(tài)小，兩煤巷礦壓顯現(xiàn)相對變?nèi)酰簿褪钦f只要留有充足的時間，孤島工作面上覆頂板所承受的重力隨著上覆巖層的充分塌陷和采空區(qū)應(yīng)力的重新平衡而減少，在礦壓方面所承擔(dān)的風(fēng)險也會變小。孤島工作面塌陷示意圖如圖6。

圖6 孤島工作面塌陷示意圖Fig.6 Collapse of isolated island working face

同時，跳躍式采煤生產(chǎn)布局將聯(lián)巷間的一般防火密閉全部由實(shí)體煤柱替代，抗壓強(qiáng)度整體提升，孤島工作面開采所面臨“一通三防”方面的高風(fēng)險因素將全部得到有效的解決。

4結(jié)語

在面對復(fù)雜地質(zhì)條件時，選擇合理的采煤生產(chǎn)布局對于煤礦安全發(fā)展至關(guān)重要。通過對上述2種生產(chǎn)布局方式全面的、系統(tǒng)的比對發(fā)現(xiàn)，跳躍式采煤生產(chǎn)布局在減弱礦山壓力顯現(xiàn)、簡化掘進(jìn)工藝、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、降低隱患治理難度等方面存在的優(yōu)勢是顯而易見的，相比于解決跳躍式采煤生產(chǎn)布局實(shí)施所帶來的一些問題則要相對簡單的多。因此，跳躍式采煤生產(chǎn)布局在應(yīng)對深部復(fù)雜區(qū)域采煤所帶來的安全和效益更加直接、明顯，也是一種適合于在深部復(fù)雜區(qū)域采煤的有效技術(shù)手段。