焦若珂

(山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046100)

1 項(xiàng)目背景

司馬煤業(yè)位于山西省長(zhǎng)治市西南部，沁水煤田長(zhǎng)治勘探區(qū)的東部邊緣地段，礦井工業(yè)場(chǎng)地位于上黨區(qū)蘇店鎮(zhèn)西申家莊村西北側(cè)、經(jīng)坊煤礦鐵路專(zhuān)用線(xiàn)以東的開(kāi)闊地上，北距長(zhǎng)治市區(qū)約8.5 km，南距上黨城區(qū)約4 km.

經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采，司馬煤業(yè)資源枯竭問(wèn)題日益嚴(yán)重，建(構(gòu))筑物壓煤資源解放問(wèn)題就提上了議事日程。該礦全井田3號(hào)煤層資源量2.04億t，其中建(構(gòu))筑物及其保護(hù)煤柱壓覆資源量約1.45億t.若能通過(guò)綠色開(kāi)采技術(shù)將建(構(gòu))筑物所壓覆的3號(hào)煤層資源量釋放出來(lái)，則能夠大幅度地延長(zhǎng)3號(hào)煤層的服務(wù)年限。

連采連充開(kāi)采技術(shù)是在傳統(tǒng)的巷式充填開(kāi)采技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展成熟起來(lái)的一種煤炭開(kāi)采技術(shù)，工藝流程是將長(zhǎng)壁工作面劃分為等寬的條帶，采用綜掘機(jī)間隔開(kāi)采條帶，再間隔充填固(膏)體材料[1]。司馬煤業(yè)預(yù)采用連采連充開(kāi)采技術(shù)來(lái)解決村莊壓煤?jiǎn)栴}。

2 連采連充工作面的位置選定及巷道布置

2.1 連采連充試驗(yàn)區(qū)域的選定

結(jié)合開(kāi)拓部署和煤質(zhì)情況，該礦將一采區(qū)作為充填試驗(yàn)區(qū)域，首個(gè)連采連充工作面為1116工作面，位于一采區(qū)1101工作面(已回采)南側(cè)，工業(yè)場(chǎng)地保護(hù)煤柱的東側(cè)，3號(hào)煤層風(fēng)氧化帶的西側(cè)。

1116連采連充工作面對(duì)應(yīng)地表：南部55.443 m為西申家莊矸石磚廠(chǎng)；東南側(cè)與城際快車(chē)道的最小距離僅35.926 m；地表還敷設(shè)有排水箱涵管路。經(jīng)計(jì)算，工作面資源儲(chǔ)量為202.84萬(wàn)t.

2.2 采區(qū)準(zhǔn)備巷道布置

從礦井3條開(kāi)拓巷道(輔助回風(fēng)巷、軌道大巷、膠帶大巷)向西延伸出3條準(zhǔn)備巷道，自北向南分別為一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅰ段、一采區(qū)輔助回風(fēng)巷Ⅰ段和一采區(qū)輔助軌道巷Ⅰ段。在這3條巷道的末端南北向布置3條準(zhǔn)備巷道的延伸段，分別為一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅱ段、一采區(qū)輔助回風(fēng)巷Ⅱ段和一采區(qū)輔助軌道巷Ⅱ段，見(jiàn)圖1.

圖1 巷道布置圖

一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅱ段沿煤層底板布置，一采區(qū)輔助軌道巷Ⅱ段和一采區(qū)輔助回風(fēng)巷Ⅱ段沿煤層頂板布置，巷道凈間距為35 m.一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅱ段通過(guò)一采區(qū)輔助膠帶巷Ⅰ段與膠帶大巷連通，形成主運(yùn)輸系統(tǒng)；一采區(qū)輔助軌道巷Ⅱ段通過(guò)一采區(qū)輔助軌道巷Ⅰ段與軌道大巷連通，形成輔助運(yùn)輸系統(tǒng)；一采區(qū)輔助回風(fēng)巷Ⅱ段通過(guò)一采區(qū)回風(fēng)巷Ⅰ段與輔助回風(fēng)巷連通，構(gòu)成回風(fēng)系統(tǒng)。

2.3 1116工作面巷道布置

根據(jù)一采區(qū)煤層賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造的分布以及采區(qū)巷道布置等影響因素，結(jié)合連采連充開(kāi)采技術(shù)的特點(diǎn)，1116工作面巷道采用“W”型布置，即南、北兩側(cè)布置工作面運(yùn)輸巷，中部布置工作面回風(fēng)巷，3條巷道平行布置，其中北運(yùn)輸巷與1101工作面采空區(qū)之間凈煤柱為10 m.在3條巷道的東部末端布置工作面聯(lián)巷，將3條巷道溝通。工作面的4條巷道(北運(yùn)輸巷、南運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、聯(lián)巷)均沿煤層底板布置。

3 開(kāi)采條帶參數(shù)的確定

3.1 1116連采連充工作面開(kāi)采條帶長(zhǎng)度的確定

3.1.1 考慮因素

1) 減少掘進(jìn)機(jī)組的拐彎次數(shù)，盡量增加支巷的長(zhǎng)度。如果支巷太短，掘進(jìn)機(jī)組搬家次數(shù)太多，影響生產(chǎn)和工效。

2) 保證掘進(jìn)機(jī)組后部連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)有一定的長(zhǎng)度，增加掘進(jìn)效率。

3) 支巷長(zhǎng)度影響噸煤費(fèi)用，包括掘進(jìn)費(fèi)、維護(hù)費(fèi)以及運(yùn)輸費(fèi)等[2]。

3.1.2 開(kāi)采條帶長(zhǎng)度的確定

1116工作面南、北兩部分各布置1個(gè)開(kāi)采條帶，條帶工作面落煤采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)機(jī)組。根據(jù)工作面范圍內(nèi)3號(hào)煤層底板等高線(xiàn)、條帶充填工藝要求等，確定開(kāi)采條帶與工作面回風(fēng)巷的夾角，夾角確定后條帶長(zhǎng)度也相應(yīng)確定。

提出2種布置方案：①開(kāi)采條帶工作面與膠帶巷呈45°布置；②開(kāi)采條帶工作面與膠帶巷垂直布置。現(xiàn)對(duì)兩種布置方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1) 方案1：開(kāi)采條帶與工作面回風(fēng)巷呈45°布置。

優(yōu)點(diǎn)：①開(kāi)采條帶工作面開(kāi)口時(shí)，施工難度小，工人勞動(dòng)強(qiáng)度小且耗時(shí)短；②開(kāi)采條帶兩端回風(fēng)巷標(biāo)高大于運(yùn)輸巷，有利于實(shí)施充填作業(yè)；③針對(duì)具體的充填工作面，采用呈45°布置方式，每條開(kāi)采條帶工作面長(zhǎng)度長(zhǎng)，則整個(gè)充填工作面內(nèi)開(kāi)采條帶的數(shù)量少，有利于采充正常銜接。

缺點(diǎn)：①與垂直布置方式相比，開(kāi)采條帶工作面長(zhǎng)度長(zhǎng)，運(yùn)輸設(shè)備(刮板輸送機(jī))需進(jìn)行搭接，占用設(shè)備多，管理難度大；②充填工作面開(kāi)采初期和收尾時(shí)，在工作面聯(lián)巷和停采線(xiàn)附近存在三角煤。

2) 方案2：開(kāi)采條帶與工作面回風(fēng)巷垂直布置。

優(yōu)點(diǎn)：①與呈45°布置方式相比，開(kāi)采條帶工作面長(zhǎng)度短，所需運(yùn)輸設(shè)備(刮板輸送機(jī))少，管理難度??；②充填作業(yè)時(shí)，一次充填量少，工人作業(yè)時(shí)間短；③充填工作面開(kāi)采初期和收尾，在工作面聯(lián)巷和停采線(xiàn)附近不需留設(shè)三角煤。

缺點(diǎn)：①開(kāi)采條帶工作面開(kāi)口時(shí)，施工難度大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大且耗時(shí)長(zhǎng)；②針對(duì)具體的充填工作面，與呈45°布置方式相比，采用垂直布置時(shí)，每條開(kāi)采條帶工作面長(zhǎng)度短，則整個(gè)充填工作面內(nèi)開(kāi)采條帶的數(shù)量多，不利于采充正常銜接。

經(jīng)過(guò)上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用方案1，即開(kāi)采條帶與工作面回風(fēng)巷呈45°布置，1116連采連充工作面的開(kāi)采條帶長(zhǎng)度為141.439 m.

3.2 開(kāi)采條帶寬度的確定

連采連充工作面開(kāi)采工藝中，直接頂?shù)目迓涫枪ぷ髅骈_(kāi)采單元布置的關(guān)鍵。開(kāi)采空間的頂板可以看作是被兩側(cè)煤柱支撐的“梁”結(jié)構(gòu)，由于其開(kāi)采范圍小，煤柱對(duì)頂板具有夾持作用，因此巖梁穩(wěn)定性計(jì)算可按“簡(jiǎn)支梁”考慮[3]，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 頂板簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)模型

梁內(nèi)最大正應(yīng)力σmax和最大剪應(yīng)力τxy為：

式中：h為梁的高度，m；L為梁的寬度，m.3號(hào)煤層頂板力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 3號(hào)煤層頂?shù)装辶W(xué)試驗(yàn)結(jié)果

考慮巖梁內(nèi)最大拉應(yīng)力影響的巖梁極限跨度應(yīng)為：

考慮巖梁內(nèi)最大剪應(yīng)力影響的巖梁極限跨度：

式中：F0為安全系數(shù)，取2～4；Rt為抗拉強(qiáng)度；Rj為抗剪強(qiáng)度。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，司馬煤業(yè)一采區(qū)地表建筑壓覆區(qū)連采連充開(kāi)采試驗(yàn)，形成的巷道布置和充填條帶參數(shù)結(jié)論如下：

1) 試采區(qū)域是通過(guò)現(xiàn)有開(kāi)拓大巷向東延伸出的3條準(zhǔn)備巷道，即一采區(qū)輔助膠帶巷、一采區(qū)輔助回風(fēng)巷、一采區(qū)輔助軌道巷，每條準(zhǔn)備巷道分Ⅰ、Ⅱ段兩段；

2) 1116連采連充工作面巷道采用“W”型方式，即布置4條工作面巷道，北運(yùn)輸巷、南運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、聯(lián)巷；

3) 1116連采連充工作面開(kāi)采條帶與工作面回風(fēng)巷呈45°布置，開(kāi)采條帶長(zhǎng)度為141.439 m，開(kāi)采條帶寬度為5 m.