孫振于，白金正，余 波，徐基根，盧安良，武智東

(1.徐州弘毅科技發(fā)展有限公司，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.國(guó)電建投內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；4.鄂爾多斯市成達(dá)礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

很多礦井由于未考慮沖擊地壓因素進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，在后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中發(fā)生了沖擊地壓災(zāi)害，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)了重大的安全隱患和治理投入[1-3]。煤礦沖擊地壓防治首先要遵循“區(qū)域先行”的原則，即從采掘布局、開(kāi)采設(shè)計(jì)上盡可能地避免出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域[4，5]。近些年來(lái)，眾多學(xué)者和技術(shù)人員提出了多種具體的區(qū)域防沖技術(shù)，取得了很好的實(shí)踐效果[6-9]。王志強(qiáng)等[10]以華豐煤礦為工程背景，提出了“負(fù)煤柱”布置的理念和方法，成功實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓工作面的安全開(kāi)采。翟明華等[11]在山東能源集團(tuán)3個(gè)不同類型巨厚堅(jiān)硬巖層沖擊地壓礦井采用了保護(hù)層開(kāi)采、負(fù)煤柱設(shè)計(jì)、關(guān)鍵工作面確定與參數(shù)設(shè)計(jì)、避開(kāi)震動(dòng)損害邊界開(kāi)采設(shè)計(jì)、小煤柱設(shè)計(jì)和順序開(kāi)采工作面參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等綜合方法，闡述了防沖安全的具體做法。郭曉強(qiáng)[12]、陳建君等[13]提出并驗(yàn)證了鄰近采空區(qū)巷道外錯(cuò)布置技術(shù)的合理性與優(yōu)越性。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究都是基于現(xiàn)已存在的問(wèn)題而提出的解決方案，很少?gòu)牡V井設(shè)計(jì)之初考慮沖擊地壓影響對(duì)整個(gè)礦井開(kāi)拓布局提出具體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。因此，本文基于納林河礦區(qū)陶忽圖煤礦具體工程條件，考慮沖擊地壓影響因素對(duì)礦井整體開(kāi)拓布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期為條件類似礦井設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

陶忽圖煤礦為規(guī)劃礦井，尚未開(kāi)工建設(shè)，目前處于設(shè)計(jì)階段。井田南北長(zhǎng)12.7 km，東西寬2.5～11.2 km，面積83.82 km2，受自然保護(hù)層區(qū)和天然氣開(kāi)采等影響井田形狀呈不規(guī)則倒葫蘆型，礦井計(jì)劃初期開(kāi)采西北部區(qū)域。井田范圍如圖1所示。礦井設(shè)計(jì)主采煤層為2-2、3-1、6-1煤層，其中，2-2煤層平均埋深為679.63 m，平均可采厚度為3.43 m；3-1煤層平均埋深為741.04 m，平均可采厚度為6.26 m，上距2-2煤層平均為57.94 m；6-1煤層平均埋深為843.05 m，平均可采厚度為3.29 m，上距3-1煤層平均為100.56 m。礦井經(jīng)沖擊傾向性評(píng)估和沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，各煤層均具有弱沖擊傾向性和無(wú)～弱沖擊危險(xiǎn)性。礦井南部為納林河二號(hào)井、北部為營(yíng)盤壕煤礦，兩礦均為沖擊地壓礦井。

圖1 井田范圍(m)

綜上可知，礦井各煤層埋深較大，具有沖擊傾向性和沖擊危險(xiǎn)性，鄰近開(kāi)采同煤層的礦井發(fā)生過(guò)沖擊地壓災(zāi)害，具有發(fā)生沖擊地壓的潛在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)考慮沖擊地壓影響對(duì)礦井進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 礦井原設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

2.1 礦井原開(kāi)采設(shè)計(jì)方案

礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800萬(wàn)t/a，計(jì)劃2-2、3-1煤層聯(lián)合開(kāi)采，兩煤層各布置一個(gè)工作面同時(shí)生產(chǎn)達(dá)產(chǎn)。由于3-1煤層較厚，經(jīng)濟(jì)效益較好，設(shè)計(jì)采用上行開(kāi)采的方法優(yōu)先開(kāi)采3-1煤層作為2-2煤層的保護(hù)層。礦井設(shè)計(jì)采用立井開(kāi)拓，井筒及井底車場(chǎng)選擇布置在井田中部，沿井底車場(chǎng)南北兩側(cè)布置開(kāi)拓大巷，在大巷兩側(cè)沿東西走向布置工作面，開(kāi)拓布置如圖2所示。計(jì)劃首采3-1101工作面，待3-1101工作面開(kāi)采一定距離后開(kāi)采上部的2-2201工作面，兩面同時(shí)生產(chǎn)達(dá)產(chǎn)，而后在首采工作面南北兩側(cè)順序接替。

圖2 礦井開(kāi)拓布置

2.2 原開(kāi)采設(shè)計(jì)方案存在問(wèn)題分析

2.2.1 保護(hù)層選擇問(wèn)題分析

保護(hù)層開(kāi)采是區(qū)域性防治沖擊地壓的有效方法[14-16]。具有沖擊危險(xiǎn)的礦井開(kāi)采煤層群時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇無(wú)沖擊危險(xiǎn)，或沖擊危險(xiǎn)較低的煤層作為保護(hù)層進(jìn)行開(kāi)采[17]。礦井設(shè)計(jì)優(yōu)先開(kāi)采3-1煤層作為2-2煤層的保護(hù)層，但3-1煤層厚度較大，埋藏也較深，所以沖擊危險(xiǎn)性也相對(duì)較高；而且周邊納林河二號(hào)礦井[18，19]開(kāi)采3-1煤層過(guò)程中發(fā)生過(guò)多次沖擊地壓事件，表明3-1煤層沖擊危險(xiǎn)性較強(qiáng)，應(yīng)作為被保護(hù)層進(jìn)行開(kāi)采。

開(kāi)采下保護(hù)層，不得破壞被保護(hù)層的開(kāi)采條件，根據(jù)文獻(xiàn)[17]，開(kāi)采下保護(hù)層時(shí)，不破壞上部煤層的最小間距可參考下式計(jì)算。

H=KMcosα

(1)

式中，H為不破壞上部煤層的最小間距，m；K為頂板管理系數(shù)，全部垮落法管理頂板時(shí)取10；M為保護(hù)層開(kāi)采厚度，m；α為煤層傾角，(°)。

礦井設(shè)計(jì)采用全部垮落法管理頂板，K取10；3-1煤可采厚度為6.26 m；地層傾角小于3°。將上述數(shù)據(jù)帶入上式可得H=62.51 m，大于3-1和2-2煤層平均間距，所以優(yōu)先開(kāi)采3-1煤層可能會(huì)破壞2-2煤層的開(kāi)采條件。

2.2.2 礦井布置方案問(wèn)題分析

1)開(kāi)切眼或終采線外錯(cuò)，受礦井邊界和開(kāi)拓巷道布置影響，工作面走向與大巷和礦井邊界斜交，多工作面布置時(shí)開(kāi)切眼與礦井邊界、終采線與大巷之間呈鋸齒形狀，導(dǎo)致工作面出現(xiàn)開(kāi)切眼外錯(cuò)或終采線外錯(cuò)。

2)部分區(qū)域位于保護(hù)范圍外，位于首采工作面南側(cè)的2-2煤工作面終采線位置部分區(qū)域和位于首采工作面北側(cè)的2-2煤工作面開(kāi)切眼位置部分區(qū)域處于保護(hù)層保護(hù)范圍外。

3)丟失三角煤，工作面走向與礦井邊界和大巷斜交，會(huì)在礦井邊界處和工作面終采線附近形成鋸齒形三角煤；而且鋸齒形三角煤會(huì)對(duì)礦井后期大巷保護(hù)煤柱的回收造成嚴(yán)重影響。

4)礦井前期會(huì)有2個(gè)采煤工作面和4個(gè)煤層掘進(jìn)工作面在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)同時(shí)生產(chǎn)，會(huì)某一段時(shí)間相互干擾。雖然對(duì)于部分區(qū)域不處于保護(hù)范圍的問(wèn)題可以采用縮面或采取一定卸壓措施的方式來(lái)解決，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致施工工藝更復(fù)雜，產(chǎn)生額外的經(jīng)濟(jì)支出以及丟失部分煤炭資源等問(wèn)題。

3 雙煤層協(xié)同開(kāi)采防沖優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 雙煤層協(xié)同開(kāi)采優(yōu)化方案

3.1.1 單翼雙煤層協(xié)同開(kāi)采優(yōu)化方案

在保護(hù)層選擇方面，應(yīng)優(yōu)先開(kāi)采煤層厚度較薄的，且埋深較淺的2-2煤層作為3-1煤層的保護(hù)層。在礦井優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，可將北翼大巷走向方向調(diào)整至與礦井西部邊界平行，大巷兩翼工作面與大巷垂直布置；首采2-2101工作面，待2-2101工作面開(kāi)采一定距離后，開(kāi)采下部的3-1101工作面，兩工作面同時(shí)生產(chǎn)達(dá)產(chǎn)，而后在首采工作面兩側(cè)順序開(kāi)采，如圖3所示。按此布置，當(dāng)大巷西翼工作面開(kāi)采臨近大巷末端時(shí)，將在礦井西北側(cè)形成三角區(qū)域。對(duì)于三角區(qū)域煤層的開(kāi)采，可在2-2煤工作面開(kāi)采至該區(qū)域后，在北翼大巷末端2-2煤采空區(qū)下方，垂直于北翼大巷布置準(zhǔn)備巷道，垂直于準(zhǔn)備巷道布置工作面進(jìn)行回采。按該方案布置，首先避免了2-2煤層孤島煤柱的形成，大巷在保護(hù)層的保護(hù)下較為安全，其次3-1煤層中大巷孤島煤柱在保護(hù)層的保護(hù)下回收也較為安全。上述布置方案可以解決大巷西翼工作面開(kāi)切眼或終采線外錯(cuò)、部分區(qū)域位于保護(hù)層外的問(wèn)題，避免了三角煤的丟失，提高煤炭回收率，而且有利于礦井后期大巷孤島煤柱的回收。但此布置會(huì)增加礦井后期開(kāi)拓工程量，增加一定的后期投入。

圖3 單翼雙煤層協(xié)同開(kāi)采優(yōu)化方案

3.1.2 雙翼雙煤層協(xié)同開(kāi)采優(yōu)化方案

若礦井不受先期開(kāi)采區(qū)域的限制，可在大巷兩側(cè)跳采，先單獨(dú)開(kāi)采大巷西側(cè)的2-2101工作面，然后接大巷東側(cè)的2-2102工作面，在開(kāi)采2-2102工作面的同時(shí)開(kāi)采2-2101工作面下方的3-1101工作面，如圖4所示。按此布置方式可以同時(shí)解決礦井前期采掘工作面過(guò)于集中的問(wèn)題，更為合理和安全。

圖4 雙翼雙煤層協(xié)同開(kāi)采優(yōu)化方案

3.2 雙煤層協(xié)同開(kāi)采工作面布置參數(shù)

保護(hù)層開(kāi)采條件下，要合理確定被保護(hù)層工作面與保護(hù)層工作面之間的走向和傾向錯(cuò)距，以及滯后距離。

參照文獻(xiàn)[17]，按照保護(hù)層的傾向保護(hù)范圍確定原則，該礦煤層傾角不超過(guò)3°，所以卸壓角δ3、δ4取75°；2-2煤層與3-1煤層層距平均為57.94 m，最大間距69 m，為安全考慮取兩煤層最大間距69 m，則合理錯(cuò)距第一部分應(yīng)為L(zhǎng)1=69/tan75°=18.5 m；除此之外，還要考慮為下階段工作面所留設(shè)的巷道和區(qū)段煤柱寬度，若工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷寬度取5.5 m，相鄰兩工作面之間區(qū)段煤柱寬度取5.0 m，則錯(cuò)距第二部分L2應(yīng)為11.5 m；所以合理傾向錯(cuò)距應(yīng)為L(zhǎng)=L1+L2=30 m，如圖5所示。

圖5 礦井優(yōu)化布置方案傾向剖面

參考文獻(xiàn)[20]，按照保護(hù)層的走向保護(hù)范圍確定原則，卸壓角δ5取56°，走向錯(cuò)距應(yīng)為69/tan56°=46.54 m，取整為47 m，如圖6所示。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800萬(wàn)t，設(shè)計(jì)一個(gè)2-2煤層工作面和一個(gè)3-1煤層工作面同時(shí)生產(chǎn)達(dá)產(chǎn)，則2-2煤層工作面年生產(chǎn)能力需要達(dá)到250～350萬(wàn)t，2-2煤層工作面設(shè)計(jì)寬350 m，采高3.43 m，容重為1.3 t/m3，采出率取0.95。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工作面采后后方采空區(qū)穩(wěn)定一般需要3～6個(gè)月的時(shí)間，則6個(gè)月2-2煤工作面回采長(zhǎng)度約為843～1180 m，取1200 m；所以在選擇單翼雙煤層協(xié)同開(kāi)采優(yōu)化方案的條件下，建議3-1煤工作面應(yīng)滯后2-2煤工作面1200 m。

圖6 礦井優(yōu)化布置方案走向剖面

4 結(jié) 論

1)經(jīng)分析，礦井原開(kāi)采設(shè)計(jì)方案存在保護(hù)層選擇不合理、開(kāi)切眼或終采線外錯(cuò)、部分區(qū)域位于保護(hù)范圍外、丟失三角煤、對(duì)礦井后期大巷保護(hù)煤柱的回收不利以及前期采掘過(guò)于集中等問(wèn)題。從沖擊地壓防治角度對(duì)保護(hù)層選擇和礦井設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，能有效避免礦井原開(kāi)采設(shè)計(jì)方案中存在的問(wèn)題。

2)2-2煤層保護(hù)層工作面與3-1煤層被保護(hù)層工作面之間合理傾向錯(cuò)距為30 m，走向錯(cuò)距為47 m，3-1煤層工作面應(yīng)滯后2-2煤層工作面1200 m。