靖文青 張忠正

（棗莊礦業(yè)集團有限責任公司，山東 棗莊 277000）

1 概況

七五煤礦井田內主要含煤地層為太原組和山西組，平均總厚度為262.90 m，可采煤層平均厚度為8.81 m，含煤系數(shù)為3.35%，其中主要可采煤層平均總厚度為6.26 m，占可采煤層總厚度的71.08%。2020年，該礦井年生產(chǎn)能力核定為100萬t。

四采區(qū)位于井田西南部，總體呈一單斜構造，走向NE，傾向SE，南北長度3150～3430 m，東西長度1830～1050 m，面積5.6 km2，井上標高+35～ +40 m，煤層標高為-560～ -830 m，埋深約595～870 m，煤層傾角8°～12°之間。煤層產(chǎn)狀、厚度、煤質比較穩(wěn)定，可采范圍內3下煤層厚度約在2.67～3.75 m之間，平均厚度3.34 m。煤層頂板中等穩(wěn)定～穩(wěn)定，煤層底板為中等堅固～堅固。四采區(qū)采用長壁后退式一次采全高采煤法、綜采工藝和全部垮落法進行頂板管理。優(yōu)化四采區(qū)巷道布置，減少掘進工程量，簡化掘進系統(tǒng)，對緩解采區(qū)銜接緊張具有重要意義[1]。

2 四采區(qū)巷道布置及存在問題

2.1 開拓方式

目前，-624 m水平3下煤北五、北一已經(jīng)基本回采完畢，四采區(qū)為接替采區(qū)。

四采區(qū)的準備方式為下山單一煤層采區(qū)，單翼采區(qū)布置。南翼大巷延伸到位后，布置四采區(qū)軌道下山和運輸下山，進行單翼開采。南翼軌道大巷延伸到位后，沿方位角161°18′以3‰坡度施工四采區(qū)車場，施工50 m后按照12°下山施工至郭莊斷層附近，最后按3‰上坡施工80.3 m底部車場；南翼運輸大巷沿原方位按坡度施工至646.5 m后到達四采區(qū)煤倉下倉口，在四采區(qū)煤倉上口按方位角161°18′以3‰坡度下山施工70 m后，保持方位角不變，按12°下山施工至郭莊斷層附近通過水平聯(lián)絡巷與軌道下山貫通，形成通風、運輸、行人系統(tǒng)。

2.2 采區(qū)巷道布置

2.2.1 采區(qū)大巷布置情況

四采區(qū)的采區(qū)大巷（包括：四采區(qū)運輸下山、四采區(qū)軌道下山）基本避開大斷層（郭莊斷層H=0～80 m∠70°）設計。采區(qū)大巷運輸巷以15°角為主、軌道巷以13°角斜向下布置。大巷與最大水平主應力方向約為22.7°夾角。

2.2.2 工作面順槽布置情況

四采區(qū)工作面順槽（包括：切眼、軌道巷和運輸巷）避開大斷層布置，兩順槽整體上平行布置，最大水平主應力方向約為40°夾角。

2.3 采區(qū)巷道布置存在問題

（1）采區(qū)內存在斷層較發(fā)育，大巷與斷層走向存在夾角，設計大巷揭露FX4-13斷層、FX11-12斷層、WF22斷層、郭莊斷層等多條斷層，揭露斷層區(qū)域的煤層存在沖擊地壓風險；

（2）采區(qū)大巷向下穿過3下煤層，穿煤段留有底煤，部分區(qū)段底煤較厚，存在沖擊地壓風險；

（3）部分工作面受斷層影響，前期進行了調面布置，形成類三角異形形狀，特別是3下408-2工作面與鄰近先采的3下406、3下407工作面形成三角煤柱，沖擊危險性高。

3 采區(qū)巷道布置優(yōu)化

3.1 采區(qū)大巷優(yōu)化與對策

（1）區(qū)域內斷層發(fā)育，應制定詳細的大巷過斷層方案，同時加強斷層區(qū)域支護強度和監(jiān)測力度。在斷層段加大錨桿和錨索支護密度，增大錨桿和錨索直徑；礦井有注漿經(jīng)驗，可以增加注漿支護；增加架棚支護；根據(jù)大巷掘進揭露煤層情況加強支護，在留底煤厚度（大于0.7 m）達到預卸壓要求時進行預卸壓處理。

（2）采區(qū)大巷留底煤段較多。解決方案為：首先調整大巷層位將大巷布置在穩(wěn)定的巖層中，如放在3下煤層頂板中。其次，調整采區(qū)大巷角度，增大斜向下的角度，如：軌道下山前期向下增加2°（斜向下15°），從500～550 m調整為斜向下10°，使大巷位于煤層之下；運輸下山前期向下增加1°（斜向下16°），從600～650 m調整為斜向下8°，使大巷位于煤層之下。

（3）調整3下408-2工作面切眼方向和位置，形成同其他工作面一樣的直角型；不調整3下408-2工作面切眼方向和位置情況下，應在3下406、3下407工作面采掘期間對兩面之間的三角區(qū)域進行預卸壓處理，以降低沖擊危險；在3下408-2工作面掘進期間加強該區(qū)域的預卸壓和監(jiān)測。

3.2 采區(qū)巷道布置優(yōu)化

3.2.1 理論分析

（1）巷道應布置在煤層邊緣的低應力區(qū)

理論和實踐表明，采動型沖擊地壓一般發(fā)生在工作面或煤柱應力集中區(qū)，其主要形式是巷道周圍的煤突然破壞釋放能量，從而對巷道造成嚴重破壞[2]。因此，根據(jù)圍巖分布規(guī)律，合理選擇巷道位置是降低沖擊風險的主要途徑之一[3]。

如圖1所示，破碎狀態(tài)的煤體邊緣有一個低應力區(qū)。當巷道位于低應力區(qū)或布置沿空巷道時，對煤體支護壓力的影響較小，圍巖應力擾動及其引起的支護壓力變化較小。當巷道在高應力區(qū)掘進時，會破壞煤的極限平衡狀態(tài)，極易誘發(fā)沖擊地壓；同時，會大大降低煤體的支承能力，引起圍巖應力和支護壓力的顯著變化，巷道和采空區(qū)的集中應力疊加，增加了圍巖支承壓力和圍巖應力的集中度。因此，構成沖擊地壓的必備條件為集中應力和沖擊傾向性，構成沖擊地壓的充分條件為高應力區(qū)巷道。故大幅度降低沖擊地壓發(fā)生的可能性，可將巷道布置在煤體邊緣的低應力區(qū)內。

圖1 巷道位置與支承壓力分布

（2）避免巷道近距離平行布置或交叉布置

如圖2所示，巷道兩側集中壓力作用范圍一般為巷道寬度4倍（4B），集中系數(shù)k1為2.0～2.5。當巷道采用近距離平行布置時，在巷道間煤體上必然會出現(xiàn)壓力疊加。如兩巷相距4B，疊加壓力集中系數(shù)k2可以達3左右。兩巷距離越近，壓力疊加越嚴重。因此，近距離平行巷道在掘進或受采動影響后極易發(fā)生沖擊地壓。

圖2 兩巷近距離平行布置時的壓力疊加

如圖3所示，巷道交叉布置時，巷道兩側集中壓力產(chǎn)生疊加，特別是在銳角部分的煤體上壓力集中系數(shù)較高，容易引發(fā)沖擊地壓。

圖3 巷道交叉布置的支承壓力分布

3.2.2 具體布置設計

（1）四采區(qū)3下406、3下407、3下408工作面采用小煤柱布置，沿空巷道位于低應力區(qū)域內布置，符合沖擊地壓防控要求。

四采區(qū)3下401、3下403、3下405工作面之間，3下408-1與3下408-2工作面之間采用回采100 m、120 m，留設100 m、120 m的條帶布置方式，工作面各順槽在原始應力區(qū)域內掘進，符合沖擊地壓防控要求。

四采區(qū)3下408-2與3下406、3下407之間留有三角煤柱，應進行預卸壓處理。

（2）減少交叉巷道個數(shù)，交叉巷道盡量采用直角布置，盡量減少銳角出現(xiàn)。在保障采掘情況下，盡量減少聯(lián)絡巷數(shù)目，減少沖擊危險區(qū)。四采區(qū)工作面兩順槽與采區(qū)大巷夾角為70°，工作面兩順槽與切眼夾角為79°、90°，夾角均較大，能夠降低沖擊危險。

（3）要掌握沿空掘巷的掘巷時機。沿空掘巷應在采空工作面動壓影響下的巖層運動穩(wěn)定后，即應力基本轉移后進行。沿空巷道的掘進需要滯后工作面采動一定時間和距離。

3.3 合理煤柱留設設計

3.3.1 理論分析

在開采過程中，遺留的煤柱會受到兩側采空區(qū)的影響，導致煤柱的支護壓力較高，如圖4。

圖4 大煤柱和小煤柱的支承壓力分布

大條帶煤柱壓力集中系數(shù)可達3～4，小條帶煤柱壓力集中系數(shù)可達4～6。上層剩余煤柱也會向下傳遞集中壓力，影響深度可達100 m以上。因此，沖擊地壓最容易發(fā)生在煤倉附近和煤倉上下的應力集中區(qū)，包括煤柱內的巷道、靠近煤柱的工作面(另一側已被采空)、煤柱下的巷道和工作面。由此可見，本層回采煤柱是產(chǎn)生應力疊加和沖擊地壓的根本原因，因此，必須采用合理的開采部署將其根除[4]。實踐證明，沖擊危險煤層中的煤柱有很大的危害。為此，開采設計中盡量不留大煤柱，采用沿空送巷或留巷。

3.3.2 具體煤柱留設

（1）工作面間?。o）煤柱留設

小煤柱留設可以有效減少沖擊地壓危險性。四采區(qū)3下406、3下407、3下408工作面采用5.0 m小煤柱布置。

（2）工作面間寬煤柱留設

四采區(qū)3下401、3下403、3下405工作面之間，3下408-1、3下408-2工作面采用100 m、120 m寬煤柱布置。

（3）斷層護巷煤柱

采區(qū)分割工作面的斷層保護煤柱一般留設寬度在50 m及以上，特殊情況下減少煤柱寬度需要做好防沖措施。

（4）大巷間護巷煤柱

四采區(qū)運輸下山和四采區(qū)軌道下山之間設計的大巷護巷煤柱寬度為60 m。根據(jù)礦井其他已采和正在開采采區(qū)大巷沖擊危險和支護情況來看，60 m煤柱能夠保證采區(qū)采掘期間的大巷安全使用。

（5）停采護巷煤柱

四采區(qū)各工作面停采護巷煤柱留設150 m，根據(jù)北七采區(qū)和南二采區(qū)工作面超前支承壓力影響范圍最大約60 m，150 m停采線保護煤柱寬度遠大于超前支承應力影響范圍。后續(xù)工作面回采期間根據(jù)礦壓顯現(xiàn)和沖擊地壓監(jiān)測情況確定具體工作面的停采線位置。

4 結語

根據(jù)沖擊地壓防治原則，進行了四采區(qū)布置的分析，優(yōu)化了采區(qū)巷道布置，確定了合理的大巷和斷層保護煤柱。優(yōu)化后的巷道所受動壓影響更小，使支護更容易，大量減少維護費用。優(yōu)化后巷道通風線路更短，有效降低礦井的通風阻力。