大埋深超長回采工作面在復雜構造條件下的設計與應用

高偉民 甄逢俊 司佩田

（山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918）

根據新巨龍公司生產接續方案，十一采區將在2025 年后接替一采區、六采區成為礦井主要生產采區，11302 工作面作為十一采區首采面，正在進行方面工程，工作面面長400 m，走向長度2263 m，儲量348.5 萬t。

原工作面設計中，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。

為了能夠最大限度回收煤炭資源，對工作面切眼布置進行了優化，將切眼與工作面順槽按照120°夾角切斜布置，達到最大限度提高回采工作面回收率目的，同時杜絕傳統調采方案調采期間加、減支架數量的問題，減少了調采期間工作量，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系

11302 工作面對應地表為奚樓及其北部農田區域，工作面距地面的垂深為747.1～977.6 m。地表有農田及新洙水河。

11302 工作面為十一采區第一個工作面，位于十一采區下山以南，東為尚未準備的11303 工作面，西為尚未準備的11301 工作面，南為3 煤層隱伏露頭，北為鐵路保護煤柱。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

工作面走向長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上煤層設計可采儲量348.5 萬t。

1.3 地質狀況

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

根據2018 年《十一、十二采區補充勘探地質報告》，11302 工作面東部和北部發育NF19 和畢垓南斷層，西部發育一處陷落柱，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開采的直接充水[1]，該區域構造復雜。11302 進風巷可能揭露NF84 斷層，11302 切眼可能揭露NF6 斷層，11302 回風巷可能揭露NF6、NF42、NF85、NF100、NF101、NF52、NF68 斷層。同時工作面內部斷層較為發育。

劉海向斜，礦井主要褶曲構造，該向斜延伸長度約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 工作面中部靠回風巷，軸向北東，在工作面北部由北東轉為北西，工作面進回風巷走向與劉海向斜軸向平行，回風巷距軸部最近96 m，切眼將穿向斜軸部掘進，工作面整體受劉海向斜影響構造應力集中，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，延展長度2400 m，三維地震解釋落差0～87 m，為礦井主要構造，暫無實際揭露點[3]。畢垓南斷層距11302皮帶機頭通道最近處66 m，受斷層影響，構造應力較為集中，預計11302 皮帶機頭通道掘進期間將揭露畢垓南斷層的一個分支斷層，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°，延展長度340 m，三維地震解釋落差0～7 m。該斷層在十一采區回風巷揭露落差1 m，十一采區進回風四聯巷揭露落差1.1 m，預計11302 皮帶機頭通道揭露NF68 斷層落差1 m。該斷層在皮帶機頭通道北部與北部的畢垓南斷層共同影響，區域構造應力集中。

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°，延展長度330 m，三維地震解釋落差0～15 m。預計該斷層在切眼揭露落差4 m，可能延伸至回風巷，預計揭露落差2 m。該斷層將11302 切眼下頭及回風巷切割成三角煤柱區，構造應力集中。

NF42 斷層，位于11302 回風巷，逆斷層，走向北東，傾向東南，斷層面傾角60°，延展長度210 m，三維地震解釋落差0～7 m，預計11302 回風巷揭露落差0～7 m。

NF85 斷層，靠近11302 回風巷，正斷層，走向近南北，傾向西，斷層面傾角65°，延展長度140 m，三維地震解釋落差0～3 m。該斷層走向與11302回風巷平行，最近處31 m，可能延伸至回風巷掘進區域，區域構造應力集中。

NF100 斷層，靠近11302 回風巷，正斷層，走向北東，傾向北西，斷層面傾角50°，延展長度80 m，三維地震解釋落差0～3 m。該斷層在距11302 回風巷45 m 處尖滅，可能延伸至回風巷掘進區域。

NF101 斷層，靠近11302 回風巷，正斷層，走向北西，傾向北東，斷層面傾角60°，延展長度60 m，三維地震解釋落差0～3 m。該斷層在距11302 回風巷30 m 處尖滅，可能延伸至巷道掘進區域。

NF52 斷層，位于11302 回風巷，逆斷層，走向北西，傾向西南，斷層面傾角65°，延展長度148 m，三維地震解釋落差0～6 m，預計11302 回風巷揭露落差3 m。該斷層走向與回風巷近平行。

NF121 斷層，靠近11302 回風巷，逆斷層，走向北東，傾向西南，斷層面傾角65°，延展長度150 m，三維地震解釋落差0～4 m。該斷層在距11302 回風巷48 m 處尖滅，可能延伸至回風巷掘進區域。

NF84 斷層，位于11302 進風巷，正斷層，走向近南北，傾向東，斷層面傾角65°，延展長度60 m，三維地震解釋落差0～3 m，預計11302 進風巷揭露落差2 m。該斷層走向與11302進風巷近平行。

NF4 斷層，位于11302 工作面內部，逆斷層，走向近南北，傾向西，斷層面傾角55°，延展長度650 m，三維地震解釋落差0～16 m。該斷層西距11302 進風巷最近40 m，可能延伸至11302 進風巷掘進區域。該斷層走向與11302 進風巷斜交。

NF41 斷層，位于11302 工作面內部，正斷層，走向近南北，傾向東，斷層面傾角65°，延展長度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 切眼掘進區域。

NF83 斷層，位于11302 工作面內部，正斷層，走向近南北，傾向東，斷層面傾角65°，延展長度130 m，三維地震解釋落差0～3 m。該斷層西距11302 進風巷最近55 m，可能延伸至11302 進風巷掘進區域。

1.4 工作面儲量

11302 工作面開采區域3 煤層位于分層區，主采3上煤層，開采面積905 140 m2。根據周邊地面鉆孔資料，開采區域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上煤層儲量348.5 萬t。

2 工作面設計及調采方案

2.1 原工作面設計方案

11302 進風巷設計長度2856 m（平距），于11302 進風巷停頭位置復掘，按163°方位角施工179.9 m，然后調向按209.6°方位角沿煤層底板施工2 676.1 m，至設計位置。

11302 回風巷設計長度3 131.5 m（平距），于11302 回風通道三岔門開門，開門后按209.6°方位角施工3 131.5 m 至設計位置。

11302 切眼沿60 m 防隔水煤柱線布置，設計長度400 m（平距），于11302 進風巷東幫開門，開門后按119.6°方位角掘進，垂直于工作面進回風巷。11302 切眼原設計方案如圖2。

圖2 11302 切眼原設計方案

2.2 優化后設計方案

11302 進風巷設計長度3 067.6 m（平距），于11302 進風巷停頭位置復掘，按163°方位角施工179.9 m，然后調向按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，至設計位置。

11302 回風巷設計長度3 131.5 m（平距），于11302 回風通道三岔門開門，開門后按209.6°方位角施工3 131.5 m 至設計位置。

11302 切眼沿60 m 防隔水煤柱線布置，設計長度400 m（平距），于11302 進風巷東幫開門，開門后按89.6°方位角掘進，與11302 回風巷夾角120°。11302 切眼優化后方案如圖3。

圖3 11302 切眼優化后方案

2.3 工作面調采方案

2.3.1 調采方案選擇

1）因調采完畢后前部運輸機及轉載機均會上竄，為避免上竄太多，計劃完全調采完畢后，再正規推采5～8 個循環后開始正常推采。

2）根據調采角度，確定下端頭距離工作面下巷距離，根據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）采用虛實心結合方式調采，調采工作面上部采用調采與推進相結合的方式，使上部端頭支架處于間歇前移狀態，確保頂板支護可靠，支架正常。

2.3.2 循環內調采刀數的確定

由于工作面切眼與工作面回風巷呈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 的比例進行調采，直至工作面軌跡垂直于進回風巷。按照1:19 調采為1 個大循環，即溜頭推進1 茬、溜尾推進19 茬方式，割正規循環時支架向下調整。為了保證切割出標準的循環面積，每一短刀的切割線必須平行于長刀切割線，而每次短刀切割之后必然在工作面出現拐點，每個拐點的彎曲角度不能大于工作面輸送機允許的彎曲角度。又由于每個拐點的彎曲角度與整個切割循環的轉角相等，因此切割循環的轉角α也不得大于工作面輸送機設計允許彎曲的角度α'[4]，即：

式中：m為循環內調采切割刀數；B為正規循環進尺，即采煤機截深，0.8 m；L為工作面長度，400 m。

則循環內調采切割刀數m：

11302 工作面快速過渡切割循環對應的循環轉角可按輸送機可彎曲角度α'= 2°計算。

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

循環內切割刀數為18 刀，則完成一次調斜循環，其循環轉角：

2.3.4 推采循環數（N）的確定

根據工作面運輸機允許最大水平彎曲角，推采轉角2.06°，工作面調采調向30 °，則推采循環數（N）[5]：N=β/α=14.6 ≈15。

即：推采15 個循環后完成工作面調采，實現30°調向。

2.3.5 調采循環總刀數的確定

要完成工作面旋轉30°，15 個推采循環共需要總刀數（不包括推移機頭通刀數）： 每推采循環移溜頭、松機割通刀一茬，共15 茬。調采總刀數：270+15=285 刀。

2.3.6 調采施工要求

1）旋轉調采過程中，工作面要及時調整支架，保證齊直，其偏差不大于±50 mm；保證支架與運輸機的夾角控制在±5°以內，支架不擠架、不咬架；保證拐點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）調采期間，必須加強工程質量管理，嚴格按照正規操作程序施工，工作面采高控制均勻，頂煤割平；當工作面局部出現片幫時，及時超前拉架，并進行二次注液。

3）調采過程中運輸機受搭接影響，可能會出現拉回煤現象，由地面集控人員時刻監視運輸機電流狀態，運輸機電流超過180 A 時及時提醒工作面人員控制好煤量。

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

5）調采期間工作面上下出口不暢通時需安設專用人行過橋，保證人員正常通行，若現場無法安設過橋，人員跨過運輸機時必須將運輸機停電閉鎖。

6）每次進入工作區域作業前，首先用長把工具對施工現場周圍的頂板和煤幫進行敲幫問頂，認真檢查作業區域內的頂板及煤幫的支護狀況，發現問題及時整改，確認安全后必須安排專人站在安全的地方觀察監護。

7）使用單體液壓支柱頂推前部運輸機，必須采用“遠距離”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，合格后方可供液。供液時，采取5 m 以上遠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，嚴禁鐵對鐵接觸。當人員撤離到人行道安全地點以后，方可對支柱采用遠距離供液，并根據溜槽間距及時調整供液。

2.3.7 調采注意事項

1）調采開始前，需要控制好前部運輸機，盡量將前部運輸機頭下移，增大機頭到卸載線距離。調采過程中，前部運輸機頭運動軌跡與皮帶中心線保持最小間距。

2）調采過程中，根據前部運輸機、支架與煤壁的相對關系，可適當結合純實心調采工藝推采。

3）調采后，因上部端頭架與中間架角度發生改變，可能會導致支架間隙增大，為避免漏頂，需提前處理。

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

5）由于工作面前部運輸機間距7.6 m，調斜30°開采，兩機頭最大錯茬可達3.46 m。

6）工作面調采時，需及時調整運輸機與支架狀態，保證運輸機與煤壁平行、支架中心線與運輸機垂直。專業盯班人員全程落實方案技術措施，嚴格控制工作面施工質量。

7）加工專用調架千斤頂。

8）移溜拉架由調采起始點開始，避免發生咬架、擠架、運輸機起拱。

2.4 應用效果分析

11302 工作面布置優化后，可實現不增加支架調采，減少工作面增減支架工序，降低工作量。通過調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1420 元計算，創效2.39 億元。

2.5 下一步優化方向

下一步對南側40 m 隔水煤柱區域內開采進行安全性論證，通過后切眼繼續外移布置。如圖4。

圖4 11302 切眼下一步優化方案

3 結語

以保證安全生產為前提，以提高工作面的生產效率和經濟效益為目標，采用先進的生產技術、工藝、設備等手段，對11302 工作面切眼布置進行了優化方案設計。在工作面原切眼處通過三次調整施工方位角，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，實現安全高效開采，符合《煤礦安全規程》和有關安全生產管理規定的要求。