大埋深超長(zhǎng)回采工作面在復(fù)雜構(gòu)造條件下的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高偉民 甄逢俊 司佩田

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918）

根據(jù)新巨龍公司生產(chǎn)接續(xù)方案，十一采區(qū)將在2025 年后接替一采區(qū)、六采區(qū)成為礦井主要生產(chǎn)采區(qū)，11302 工作面作為十一采區(qū)首采面，正在進(jìn)行方面工程，工作面面長(zhǎng)400 m，走向長(zhǎng)度2263 m，儲(chǔ)量348.5 萬t。

原工作面設(shè)計(jì)中，兩條順槽近似沿劉海向斜布置，工作面切眼與順槽垂直布置，工作面切眼與60 m 防隔水煤柱線之間將遺失34.6 萬t 原煤，造成煤炭資源浪費(fèi)。

為了能夠最大限度回收煤炭資源，對(duì)工作面切眼布置進(jìn)行了優(yōu)化，將切眼與工作面順槽按照120°夾角切斜布置，達(dá)到最大限度提高回采工作面回收率目的，同時(shí)杜絕傳統(tǒng)調(diào)采方案調(diào)采期間加、減支架數(shù)量的問題，減少了調(diào)采期間工作量，為礦井后期回采工作面切眼布置以及提高煤炭回收率指明了新的方向。

1 11302 工作面概況

1.1 工作面位置及周邊關(guān)系

11302 工作面對(duì)應(yīng)地表為奚樓及其北部農(nóng)田區(qū)域，工作面距地面的垂深為747.1～977.6 m。地表有農(nóng)田及新洙水河。

11302 工作面為十一采區(qū)第一個(gè)工作面，位于十一采區(qū)下山以南，東為尚未準(zhǔn)備的11303 工作面，西為尚未準(zhǔn)備的11301 工作面，南為3 煤層隱伏露頭，北為鐵路保護(hù)煤柱。11302 工作面平面布置圖如圖1。

圖1 11302 工作面平面布置圖

1.2 工作面參數(shù)

工作面走向長(zhǎng)2263 m（平距），傾斜寬400 m（平距），開采面積905 140 m2，煤種為1/3 焦煤、肥煤和氣煤。3上煤層設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量348.5 萬t。

1.3 地質(zhì)狀況

11302 工作面位于一水平十一采區(qū)， 本區(qū)域發(fā)育劉海向斜，向斜構(gòu)造東翼煤層走向105° ～306°，傾 向195° ～36°，煤 層 傾 角0°～13°；向斜構(gòu)造西翼煤層走向306°～30° ，傾向36°～120°，煤層傾角0°～15°。

根據(jù)2018 年《十一、十二采區(qū)補(bǔ)充勘探地質(zhì)報(bào)告》，11302 工作面東部和北部發(fā)育NF19 和畢垓南斷層，西部發(fā)育一處陷落柱，南部靠近煤層隱伏露頭附近煤層至新近系底部間距較小，易引起新近系底部砂層對(duì)開采的直接充水[1]，該區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜。11302 進(jìn)風(fēng)巷可能揭露NF84 斷層，11302 切眼可能揭露NF6 斷層，11302 回風(fēng)巷可能揭露NF6、NF42、NF85、NF100、NF101、NF52、NF68 斷層。同時(shí)工作面內(nèi)部斷層較為發(fā)育。

劉海向斜，礦井主要褶曲構(gòu)造，該向斜延伸長(zhǎng)度約14.5 m，幅度70～200 m，跨度1.4～5.5 km，兩翼傾角4°～20°。該向斜位于11302 工作面中部靠回風(fēng)巷，軸向北東，在工作面北部由北東轉(zhuǎn)為北西，工作面進(jìn)回風(fēng)巷走向與劉海向斜軸向平行，回風(fēng)巷距軸部最近96 m，切眼將穿向斜軸部掘進(jìn)，工作面整體受劉海向斜影響構(gòu)造應(yīng)力集中，煤巖層受拉伸力影響易破碎[2]。

畢垓南斷層，正斷層，位于工作面北部，走向北-北西，傾向西-西南，延展長(zhǎng)度2400 m，三維地震解釋落差0～87 m，為礦井主要構(gòu)造，暫無實(shí)際揭露點(diǎn)[3]。畢垓南斷層距11302皮帶機(jī)頭通道最近處66 m，受斷層影響，構(gòu)造應(yīng)力較為集中，預(yù)計(jì)11302 皮帶機(jī)頭通道掘進(jìn)期間將揭露畢垓南斷層的一個(gè)分支斷層，落差0～4 m。

NF68 斷層，位于11302 工作面北部，正斷層，走向北西，傾向西南，斷層面傾角45°～70°，延展長(zhǎng)度340 m，三維地震解釋落差0～7 m。該斷層在十一采區(qū)回風(fēng)巷揭露落差1 m，十一采區(qū)進(jìn)回風(fēng)四聯(lián)巷揭露落差1.1 m，預(yù)計(jì)11302 皮帶機(jī)頭通道揭露NF68 斷層落差1 m。該斷層在皮帶機(jī)頭通道北部與北部的畢垓南斷層共同影響，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力集中。

NF6 斷層，位于11302 切眼附近，正斷層，走向北東，傾向北西，斷層面傾角60°，延展長(zhǎng)度330 m，三維地震解釋落差0～15 m。預(yù)計(jì)該斷層在切眼揭露落差4 m，可能延伸至回風(fēng)巷，預(yù)計(jì)揭露落差2 m。該斷層將11302 切眼下頭及回風(fēng)巷切割成三角煤柱區(qū)，構(gòu)造應(yīng)力集中。

NF42 斷層，位于11302 回風(fēng)巷，逆斷層，走向北東，傾向東南，斷層面傾角60°，延展長(zhǎng)度210 m，三維地震解釋落差0～7 m，預(yù)計(jì)11302 回風(fēng)巷揭露落差0～7 m。

NF85 斷層，靠近11302 回風(fēng)巷，正斷層，走向近南北，傾向西，斷層面傾角65°，延展長(zhǎng)度140 m，三維地震解釋落差0～3 m。該斷層走向與11302回風(fēng)巷平行，最近處31 m，可能延伸至回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力集中。

NF100 斷層，靠近11302 回風(fēng)巷，正斷層，走向北東，傾向北西，斷層面傾角50°，延展長(zhǎng)度80 m，三維地震解釋落差0～3 m。該斷層在距11302 回風(fēng)巷45 m 處尖滅，可能延伸至回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域。

NF101 斷層，靠近11302 回風(fēng)巷，正斷層，走向北西，傾向北東，斷層面傾角60°，延展長(zhǎng)度60 m，三維地震解釋落差0～3 m。該斷層在距11302 回風(fēng)巷30 m 處尖滅，可能延伸至巷道掘進(jìn)區(qū)域。

NF52 斷層，位于11302 回風(fēng)巷，逆斷層，走向北西，傾向西南，斷層面傾角65°，延展長(zhǎng)度148 m，三維地震解釋落差0～6 m，預(yù)計(jì)11302 回風(fēng)巷揭露落差3 m。該斷層走向與回風(fēng)巷近平行。

NF121 斷層，靠近11302 回風(fēng)巷，逆斷層，走向北東，傾向西南，斷層面傾角65°，延展長(zhǎng)度150 m，三維地震解釋落差0～4 m。該斷層在距11302 回風(fēng)巷48 m 處尖滅，可能延伸至回風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域。

NF84 斷層，位于11302 進(jìn)風(fēng)巷，正斷層，走向近南北，傾向東，斷層面傾角65°，延展長(zhǎng)度60 m，三維地震解釋落差0～3 m，預(yù)計(jì)11302 進(jìn)風(fēng)巷揭露落差2 m。該斷層走向與11302進(jìn)風(fēng)巷近平行。

NF4 斷層，位于11302 工作面內(nèi)部，逆斷層，走向近南北，傾向西，斷層面傾角55°，延展長(zhǎng)度650 m，三維地震解釋落差0～16 m。該斷層西距11302 進(jìn)風(fēng)巷最近40 m，可能延伸至11302 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域。該斷層走向與11302 進(jìn)風(fēng)巷斜交。

NF41 斷層，位于11302 工作面內(nèi)部，正斷層，走向近南北，傾向東，斷層面傾角65°，延展長(zhǎng)度200 m，三維地震解釋落差0～7 m。該斷層南距11302 切眼最近56 m，可能延伸至11302 切眼掘進(jìn)區(qū)域。

NF83 斷層，位于11302 工作面內(nèi)部，正斷層，走向近南北，傾向東，斷層面傾角65°，延展長(zhǎng)度130 m，三維地震解釋落差0～3 m。該斷層西距11302 進(jìn)風(fēng)巷最近55 m，可能延伸至11302 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)區(qū)域。

1.4 工作面儲(chǔ)量

11302 工作面開采區(qū)域3 煤層位于分層區(qū)，主采3上煤層，開采面積905 140 m2。根據(jù)周邊地面鉆孔資料，開采區(qū)域3上煤層厚度2.49～3.1 m，平均2.8 m，3下煤層厚度0～3.53 m，平均2.49 m，煤種為肥煤、1/3 焦煤和氣煤。3上煤層儲(chǔ)量348.5 萬t。

2 工作面設(shè)計(jì)及調(diào)采方案

2.1 原工作面設(shè)計(jì)方案

11302 進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2856 m（平距），于11302 進(jìn)風(fēng)巷停頭位置復(fù)掘，按163°方位角施工179.9 m，然后調(diào)向按209.6°方位角沿煤層底板施工2 676.1 m，至設(shè)計(jì)位置。

11302 回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 131.5 m（平距），于11302 回風(fēng)通道三岔門開門，開門后按209.6°方位角施工3 131.5 m 至設(shè)計(jì)位置。

11302 切眼沿60 m 防隔水煤柱線布置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度400 m（平距），于11302 進(jìn)風(fēng)巷東幫開門，開門后按119.6°方位角掘進(jìn)，垂直于工作面進(jìn)回風(fēng)巷。11302 切眼原設(shè)計(jì)方案如圖2。

圖2 11302 切眼原設(shè)計(jì)方案

2.2 優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案

11302 進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 067.6 m（平距），于11302 進(jìn)風(fēng)巷停頭位置復(fù)掘，按163°方位角施工179.9 m，然后調(diào)向按209.6°方位角沿煤層底板施工2 661.7 m，然后按204.8°方位角施工62.7 m，然后按196°方位角施工76.4 m，然后按185.9°方位角施工86.9 m，至設(shè)計(jì)位置。

11302 回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度3 131.5 m（平距），于11302 回風(fēng)通道三岔門開門，開門后按209.6°方位角施工3 131.5 m 至設(shè)計(jì)位置。

11302 切眼沿60 m 防隔水煤柱線布置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度400 m（平距），于11302 進(jìn)風(fēng)巷東幫開門，開門后按89.6°方位角掘進(jìn)，與11302 回風(fēng)巷夾角120°。11302 切眼優(yōu)化后方案如圖3。

圖3 11302 切眼優(yōu)化后方案

2.3 工作面調(diào)采方案

2.3.1 調(diào)采方案選擇

1）因調(diào)采完畢后前部運(yùn)輸機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)均會(huì)上竄，為避免上竄太多，計(jì)劃完全調(diào)采完畢后，再正規(guī)推采5～8 個(gè)循環(huán)后開始正常推采。

2）根據(jù)調(diào)采角度，確定下端頭距離工作面下巷距離，根據(jù)距離確定增加支架位置，提前將支架放入指定位置，待工作面推采至指定位置后，便于直接安裝支架。

3）采用虛實(shí)心結(jié)合方式調(diào)采，調(diào)采工作面上部采用調(diào)采與推進(jìn)相結(jié)合的方式，使上部端頭支架處于間歇前移狀態(tài)，確保頂板支護(hù)可靠，支架正常。

2.3.2 循環(huán)內(nèi)調(diào)采刀數(shù)的確定

由于工作面切眼與工作面回風(fēng)巷呈120°夾角，工作面上端頭超前工作面下端頭200 m，開采初期按照19/1 的比例進(jìn)行調(diào)采，直至工作面軌跡垂直于進(jìn)回風(fēng)巷。按照1:19 調(diào)采為1 個(gè)大循環(huán)，即溜頭推進(jìn)1 茬、溜尾推進(jìn)19 茬方式，割正規(guī)循環(huán)時(shí)支架向下調(diào)整。為了保證切割出標(biāo)準(zhǔn)的循環(huán)面積，每一短刀的切割線必須平行于長(zhǎng)刀切割線，而每次短刀切割之后必然在工作面出現(xiàn)拐點(diǎn)，每個(gè)拐點(diǎn)的彎曲角度不能大于工作面輸送機(jī)允許的彎曲角度。又由于每個(gè)拐點(diǎn)的彎曲角度與整個(gè)切割循環(huán)的轉(zhuǎn)角相等，因此切割循環(huán)的轉(zhuǎn)角α也不得大于工作面輸送機(jī)設(shè)計(jì)允許彎曲的角度α'[4]，即：

式中：m為循環(huán)內(nèi)調(diào)采切割刀數(shù)；B為正規(guī)循環(huán)進(jìn)尺，即采煤機(jī)截深，0.8 m；L為工作面長(zhǎng)度，400 m。

則循環(huán)內(nèi)調(diào)采切割刀數(shù)m：

11302 工作面快速過渡切割循環(huán)對(duì)應(yīng)的循環(huán)轉(zhuǎn)角可按輸送機(jī)可彎曲角度α'= 2°計(jì)算。

則m=400 m×tan（2°/0.8 m）=17.5 ≈18 刀。2.3.3 循環(huán)轉(zhuǎn)角的確定

循環(huán)內(nèi)切割刀數(shù)為18 刀，則完成一次調(diào)斜循環(huán)，其循環(huán)轉(zhuǎn)角：

2.3.4 推采循環(huán)數(shù)（N）的確定

根據(jù)工作面運(yùn)輸機(jī)允許最大水平彎曲角，推采轉(zhuǎn)角2.06°，工作面調(diào)采調(diào)向30 °，則推采循環(huán)數(shù)（N）[5]：N=β/α=14.6 ≈15。

即：推采15 個(gè)循環(huán)后完成工作面調(diào)采，實(shí)現(xiàn)30°調(diào)向。

2.3.5 調(diào)采循環(huán)總刀數(shù)的確定

要完成工作面旋轉(zhuǎn)30°，15 個(gè)推采循環(huán)共需要總刀數(shù)（不包括推移機(jī)頭通刀數(shù)）： 每推采循環(huán)移溜頭、松機(jī)割通刀一茬，共15 茬。調(diào)采總刀數(shù)：270+15=285 刀。

2.3.6 調(diào)采施工要求

1）旋轉(zhuǎn)調(diào)采過程中，工作面要及時(shí)調(diào)整支架，保證齊直，其偏差不大于±50 mm；保證支架與運(yùn)輸機(jī)的夾角控制在±5°以內(nèi)，支架不擠架、不咬架；保證拐點(diǎn)處的支架可超前拉架（超前拉4～6 架），并升緊頂梁和前探梁。

2）調(diào)采期間，必須加強(qiáng)工程質(zhì)量管理，嚴(yán)格按照正規(guī)操作程序施工，工作面采高控制均勻，頂煤割平；當(dāng)工作面局部出現(xiàn)片幫時(shí)，及時(shí)超前拉架，并進(jìn)行二次注液。

3）調(diào)采過程中運(yùn)輸機(jī)受搭接影響，可能會(huì)出現(xiàn)拉回煤現(xiàn)象，由地面集控人員時(shí)刻監(jiān)視運(yùn)輸機(jī)電流狀態(tài)，運(yùn)輸機(jī)電流超過180 A 時(shí)及時(shí)提醒工作面人員控制好煤量。

4）使用千斤頂或單體支柱調(diào)整支架架間隙，供液前，必須檢查管路連接是否合格、安放是否平穩(wěn)，合格后方可供液，人員必須遠(yuǎn)距離供液，緩慢供液。

5）調(diào)采期間工作面上下出口不暢通時(shí)需安設(shè)專用人行過橋，保證人員正常通行，若現(xiàn)場(chǎng)無法安設(shè)過橋，人員跨過運(yùn)輸機(jī)時(shí)必須將運(yùn)輸機(jī)停電閉鎖。

6）每次進(jìn)入工作區(qū)域作業(yè)前，首先用長(zhǎng)把工具對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)周圍的頂板和煤幫進(jìn)行敲幫問頂，認(rèn)真檢查作業(yè)區(qū)域內(nèi)的頂板及煤幫的支護(hù)狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)整改，確認(rèn)安全后必須安排專人站在安全的地方觀察監(jiān)護(hù)。

7）使用單體液壓支柱頂推前部運(yùn)輸機(jī)，必須采用“遠(yuǎn)距離”供液方式，且單體支柱兩端要加木剎以防打滑，并保持面接觸。在給單體支柱供液前，必須檢查管路連接是否合格、單體支柱安放是否平穩(wěn)，合格后方可供液。供液時(shí)，采取5 m 以上遠(yuǎn)距離供液方式緩慢供液。操作過程中，操作人員不少于兩人，并且密切配合，將支柱兩端頂在溜尾可靠位置，與溜尾接觸部位墊上木剎，嚴(yán)禁鐵對(duì)鐵接觸。當(dāng)人員撤離到人行道安全地點(diǎn)以后，方可對(duì)支柱采用遠(yuǎn)距離供液，并根據(jù)溜槽間距及時(shí)調(diào)整供液。

2.3.7 調(diào)采注意事項(xiàng)

1）調(diào)采開始前，需要控制好前部運(yùn)輸機(jī)，盡量將前部運(yùn)輸機(jī)頭下移，增大機(jī)頭到卸載線距離。調(diào)采過程中，前部運(yùn)輸機(jī)頭運(yùn)動(dòng)軌跡與皮帶中心線保持最小間距。

2）調(diào)采過程中，根據(jù)前部運(yùn)輸機(jī)、支架與煤壁的相對(duì)關(guān)系，可適當(dāng)結(jié)合純實(shí)心調(diào)采工藝推采。

3）調(diào)采后，因上部端頭架與中間架角度發(fā)生改變，可能會(huì)導(dǎo)致支架間隙增大，為避免漏頂，需提前處理。

4）加強(qiáng)前期礦壓觀測(cè)工作，摸清工作面調(diào)采期間的巖梁位態(tài)。工作面推至距皮帶中心線交點(diǎn)10 m 時(shí)，全面停止放煤，以改善上覆巖梁位態(tài)，防止巖梁復(fù)合作用。

5）由于工作面前部運(yùn)輸機(jī)間距7.6 m，調(diào)斜30°開采，兩機(jī)頭最大錯(cuò)茬可達(dá)3.46 m。

6）工作面調(diào)采時(shí)，需及時(shí)調(diào)整運(yùn)輸機(jī)與支架狀態(tài)，保證運(yùn)輸機(jī)與煤壁平行、支架中心線與運(yùn)輸機(jī)垂直。專業(yè)盯班人員全程落實(shí)方案技術(shù)措施，嚴(yán)格控制工作面施工質(zhì)量。

7）加工專用調(diào)架千斤頂。

8）移溜拉架由調(diào)采起始點(diǎn)開始，避免發(fā)生咬架、擠架、運(yùn)輸機(jī)起拱。

2.4 應(yīng)用效果分析

11302 工作面布置優(yōu)化后，可實(shí)現(xiàn)不增加支架調(diào)采，減少工作面增減支架工序，降低工作量。通過調(diào)采增加工作面南部可采面積44 100 m2，工作面平均煤厚2.8 m，可多回收煤炭資源16.8 萬t。按噸煤平均售價(jià)1420 元計(jì)算，創(chuàng)效2.39 億元。

2.5 下一步優(yōu)化方向

下一步對(duì)南側(cè)40 m 隔水煤柱區(qū)域內(nèi)開采進(jìn)行安全性論證，通過后切眼繼續(xù)外移布置。如圖4。

圖4 11302 切眼下一步優(yōu)化方案

3 結(jié)語

以保證安全生產(chǎn)為前提，以提高工作面的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，采用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、工藝、設(shè)備等手段，對(duì)11302 工作面切眼布置進(jìn)行了優(yōu)化方案設(shè)計(jì)。在工作面原切眼處通過三次調(diào)整施工方位角，增加工作面南部可采面積44 100 m2，多回收煤炭資源16.8 萬t，最大限度地回收煤炭資源，實(shí)現(xiàn)安全高效開采，符合《煤礦安全規(guī)程》和有關(guān)安全生產(chǎn)管理規(guī)定的要求。