申斌学，朱 磊，张新福，古文哲，黄剑斌

(1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

不规则区域煤炭资源也称“三角煤”，是矿井开采过程中受煤层赋存条件、矿井边界、各种保护煤柱等影响而形成的煤炭资源边界形状不规则的区域。具有以下特点：形状不规则，布置常规的综采工作面难度相对较大；不规则区域通常较小，资源赋存量小；开采时矿山压力显现明显，支护、回收难度大；有的区域赋存不稳定，煤层厚度变化较大。正是因为不规则区域具有以上特点，所以在开采这些区域时，如果采用传统的综采方法，综合机械化效果往往难以发挥，继而导致煤炭采出率低，采煤成本增加，反而造成经济不合理。

随着煤矿装备技术的不断升级，矿井生产能力日趋扩大，服务年限相对缩短，煤炭作为不可再生资源，这些年储量一直在不断的减少，其中很多矿区的资源面临枯竭，因此对不规则区域煤炭资源开采越来越重视，如何科学合理的回收不规则区域的煤炭资源，对延长矿井服务年限、增加矿井经济效益有着重要意义[1-4]。

1 矿井概况

榆树湾煤矿位于榆神矿区一期规划区中部，是榆神矿区一期建设的重点煤矿，设计生产能力8.00Mt/a，2015年产能核增后新颁发的安全生产许可证证载能力为10.00Mt/a。矿井可采煤层中2-2、4-3全区可采，3-1、5-3上大部可采，为主要可采煤层。按可采煤层共划分为四个水平，每个水平分为01和02两个盘区，全井田共划分为8个盘区。

矿井目前正在回采一水平201盘区2-2煤层的上分层，2-2煤层平均煤厚11.79m，采用“再生顶板”法上下分层开采。上下分层开采厚度均为5m。2-2煤层直接顶岩性为细粒砂岩、粉砂岩，厚度0～8.33m，属2类中等稳定顶板；基本顶厚度3.66～53.22m，初次来压当量(970～1000kN/m2)属Ⅲ级，即全区压力显现强烈；底板主要有泥质粉砂岩和粉砂质泥岩组成，允许底板单向抗压强度25.95MPa，应属Ⅳ类，即中硬底板。

2 受丛气井影响开采面临的问题

在榆树湾煤矿井田范围东部有中国石油长庆油田分公司第二采气厂的“双22-41丛气井”，该丛气井共包含8口定向气井，井深范围位于2785～3030m之间。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的规定[5]，该丛井属于Ⅰ类构筑物，应当留设保护煤柱。采用垂直剖面法计算该从井的保护煤柱范围，如图1所示。

图1 气井保护煤柱垂直剖面

榆树湾煤矿2-2煤层为近水平煤层，其气井保护煤柱范围可按水平煤层计算[6，7]，只需确定基岩走向移动角δ和松散层移动角α。则气井保护煤柱范围R=S+H1cotα+H2cotδ，Ⅰ类构筑物围护带宽度S为20m，该丛气井所在位置处2-2煤层实际埋深约为190m，其中松散层厚度H1为130m，基岩厚度H2为60m，据榆树湾煤矿地表移动变形监测数据，平均基岩走向移动角δ为66°，松散层移动角α为45°，计算后的气井保护煤柱范围R为176.7m，在此基础上与采气厂协调后取R=200m。划定保护煤柱后的该部分区域如图2所示。

图2 划定保护煤柱后的不规则区域(m)

由图2可知，受“双22-41丛气井”保护煤柱影响，榆树湾煤矿20116和20118综合机械化长壁开采工作面均无法穿越气井保护煤柱直接开采，同时该部分区域受井田边界保护煤柱影响，剩余可采区域形状极不规则，此部分剩余区域2-2煤层可采储量达2515550t，其中2-2煤上分层为1062310t，如图2中阴影部分所示。为不浪费矿井资源，增加矿井服务年限，需要科学合理的方法回收此部分区域煤炭资源。

3 双巷条带式开采方法

3.1 采煤方法的选择

针对不规则区域煤炭资源无法采用长壁开采方法回收的情况，常用的处理方式为短壁开采方法，代表性的有房式及房柱式采煤法、巷柱式采煤法、条带式采煤法等，但都存在通风系统复杂、通风条件差、多头串联通风的问题，一般情况下适用于开采深度不太大的近水平中厚煤层、顶板中等稳定、底板较平整、瓦斯含量小、煤层不易自燃的矿井[8-11]。

榆树湾煤矿为低瓦斯矿井，其2-2煤层为Ⅰ类容易自燃煤层，因此传统的短壁开采方法均不适应于榆树湾煤矿不规则区域的开采。应当在开采过程中尽量减少已掘巷道的裸露时间，尽快形成全风压通风系统；结合榆树湾煤矿实际，确定采用连续采煤机双巷条带开采的方式回收不规则区域煤炭资源，矿井目前正在开采2-2煤层的上分层，下分层待上分层开采完毕后再进行开采，因此不规则区域内开采设计只针对2-2煤层上分层。

3.2 双巷条带式开采方法

3.2.1 布置方式

双巷条带开采方法由工作面双巷掘进方式演化而来，即采用连续采煤机双巷循环掘进的方式在不规则区域内进行开采，并在每组双巷之间留设等宽的煤柱。其采用双巷全负压与局部通风相结合的通风系统，最大程度地减少局部通风巷道长度，掘进完成后巷道及时密闭以减少巷道裸露时间，适用于容易自燃煤层的开采[12-15]。双巷条带开采方法的布置方式如图3所示。

图3 双巷条带开采方法示意图

由图3可知，首先在井田的开拓大巷向待开采区域布置区段准备巷道，区段运输巷负责煤炭运输、辅助运输兼进风，区段回风巷负责回风，采用连续采煤机双巷交替的方式掘进，割煤与支护平行作业；在两条巷道之间每隔40～60m掘进一条通风联巷，以方便连续采煤机和支护设备就近调运。区段运输巷和区段回风巷掘进至边界位置后以通风联巷贯通形成全风压通风系统，区段准备巷道掘进完成后，从边界位置向开拓大巷方向依次回采。

3.2.2 开采方法

回采时采用连续采煤机掘进01组双巷条带巷道，01组双巷条带分为主巷和副巷，同区段运输巷和回风巷一样采用双巷循环交替的方式掘进，待掘进完成后撤出双巷条带内所有机械、机电等设备，并建立密闭墙完成01组双巷条带的采后封闭，再依次掘进02组、03组、04组、05组、06组、……、n组双巷条带，直至到达设计的不规则区域边界位置，主巷和副巷每隔40～60m掘进一条联巷，方便连续采煤机、梭车等机械设备灵活调度。

3.2.3 运输系统

以开采02组双巷条带时的情况阐述其运输系统，如图4所示。

图4 02组双巷条带开采系统

1)运输方式。双巷条带开采时，双巷条带内煤炭运输方式为连续采煤机、梭车、转载破碎机、带式输送机。辅助运输方式采用平板车或防爆无轨胶轮车。

2)运输路线。辅助运输：辅运大巷→区段运输巷→02组主巷。煤炭运输：02组副巷→02组主副巷间联巷→02组主巷→区段运输巷→运输大巷。

3.2.4 通风系统

以开采02组双巷条带时的情况说明双巷条带开采法的通风优势，如图4所示。

1)通风方式。在回采02组双巷条带时，通过构建快速密闭的形式可实现双巷条带的巷道后路全负压通风，仅两条巷道的迎头至联巷约0～60m范围内采用局扇通风，通风方式合理有效，既可以实现全负压通风开采，又具备两个安全出口，是合法合规的高效开采方式。

2)通风路线。全负压通风路线：辅运大巷(运输大巷)→区段运输巷→02组主巷→02组主副巷间联巷→02组副巷→区段巷联巷→区段回风巷→回风大巷。局扇通风路线：区段运输巷(安装局部通风机)→02组主巷(02组副巷)

4 榆树湾煤矿不规则区域开采方案设计

4.1 布置方式

根据不规则区域的形状特征以及20116工作面已经圈定完成的实际情况，若回收不规则区域的煤炭资源，需先掘进20118工作面的回采巷道，之后再掘进不规则区域的区段运输巷和区段回风巷；回采时先回收工作面切眼外侧的不规则区域，再回采20118工作面。依据双巷条带式开采方法设计不规则区域的布置方式如图5所示。

图5 榆树湾煤矿不规则区域双巷条带式布置方式

由图5可见，该设计把开采区域分为两部分：一部分是“双22-41丛气井”东南侧的开采区域，这部分区域的双巷条带开采方向与20118工作面运输巷方向垂直；另一部分是“双22-41丛气井”东北侧的开采区域，这部分区域的双巷条带开采方向与区段运输巷方向垂直。为便于陈述，把双巷条带从北向南依次进行编号，不规则区可划分为31组双巷条带，每组条带分为主巷和副巷，主巷在左侧，副巷在右侧，主、副巷之间间隔9m煤柱，01组双巷条带从不规则区区段运输巷开口开始掘进，主、副巷交替掘进，距离主巷开口处50m后在主副巷之间掘进一条联巷，联巷长度为9m，与主巷夹角为90°，掘进至井田边界保护煤柱位置后退出所有设备并封闭主、副巷，然后开始掘进02组条带，02组条带回采完毕后封闭主、副巷再掘进03组条带。依次循环至31组条带掘进完毕，每条联巷之间均相隔50m。

4.2 巷道规格及支护参数

图6 不规则区域区段运输巷支护方式(mm)

因不规则区域区段运输巷及区段回风巷为20118工作面运输巷和回风巷的延伸，其巷道规格和支护参数参考矿井工作面巷道已有支护方式，支护形式如图6所示。由图6可见，区段巷道为矩形断面，规格为5.7m×4.2m(宽×高)。巷道顶板采用∅18mm×2000mm螺纹钢锚杆，间排距900mm×1000mm；区段运输巷双巷条带开口侧帮部使用∅20mm×2000mm玻璃钢锚杆，区段回风巷两巷帮部均采用∅18mm×2000mm螺纹钢锚杆，两帮间排距均为1000mm×1000mm。双巷条带开采巷道功能用途与区段巷道相同，需要满足连采机、梭车等设备的调车需求，因此设计断面规格相同，支护方式区别为巷道两帮帮部均采用∅20mm×2000mm玻璃钢锚杆，其他参数相同。

4.3 主要设备选型

不规则区域范围小，新购买设备投资较高，设计考虑采用矿井目前现有的设备，区域内的巷道割煤、装煤、运煤及支护等生产工序选用连续采煤机及其后配套设备[16，17]。所需主要设备见表1。

表1 主要设备配备

4.4 顶板管理

在顶板完整、裂隙发育较少、地质构造简单，正规循环作业循环进度为10m，掘进遇地质构造时，缩小循环进度，同时锚杆及时支护。每完成一个掘进作业循环后，将连续采煤机退出，并将锚杆机调入对新掘巷道顶、帮进行支护，顶部及帮部1、2根锚杆支护到位并紧跟掘进工作面，帮部3、4根锚杆滞后掘进工作面距离最多不得超过50m。巷道交岔点处用以加强支护的锚索同顶板锚杆、帮部1、2根锚杆一起及时支护。

4.5 回采工艺

在掘进的一个正规循环里，主要工序分为落煤、清煤、运煤与支护，其工序的实现离不开设备的支持，工序与设备的匹配关系如图7所示。

图7 回采工艺与设备流程

1)落煤：12CM15-10D型连续采煤机最大截割宽度为3.3m，不满足巷道设计5.7m宽度的要求，在割煤时，先在所掘巷道的左侧进刀，截割深度达循环深度要求后退出连续采煤机，此为切槽；连续采煤机再截割另一侧循环深度的煤，此为采垛；采垛完成后即完成一个循环的落煤工序。

2)清煤：清煤工序分为两步，分别在巷道支护前和支护后，其所使用的清煤设备也不同。在一个循环的落煤工序完成后，巷道支护前用连续采煤机清理一次浮煤以使巷道达到设计高度，在巷道支护完毕后再利用装载机彻底清理巷道浮煤。

3)运煤：正常作业时，连续采煤机割煤、装煤，梭车从煤机处将煤运送至转载破碎机，再由带式输送机将煤运出掘进工作面至地面煤仓。

4)支护：待连采机掘完一个循环后，退出连采机，调入二臂锚杆机支护巷道顶部及帮部最上一、二根锚杆，同时液压钻机跟机支护巷道顶锚索及帮部其余锚杆，液压锚杆钻机必须与二臂锚杆机保持10m以上的安全距离，在双巷条带巷道开口后只需调入二臂锚杆机支护即可。

4.6 生产能力

双巷条带开采方案采用连续采煤机作业，参考榆树湾煤矿其他工作面巷道双巷掘进时的掘进速度，不规则区域内31组条带开采掘进速度按1400m/月，则其回采期间生产能力为：

Q=V双掘×H×B×γ

式中，Q为双巷条带生产能力，t/月；V双掘为双巷掘进速度，取1400m/月；H为巷道高度，取4.2m；B为巷道宽度，取5.7m；γ为煤的容重，取1.32t/m3。

把数据带入计算可得，不规则区域采用双巷条带开采方法的生产能力为4.5万t/月。

5 结 论

1)采用双巷条带开采方案高效回收了榆树湾煤矿20116、20118工作面切眼外侧不规则区域的煤炭资源，提高了矿井煤炭资源回收率。实施该设计方法后在不规则区域共回收煤量433382t，按榆树湾煤矿综合当量煤价为291元/t(不含税)计算，为矿井带来收益12611.42万元。

2)双巷条带式开采方法能够解决形状极不规则的三角煤区域煤炭资源高效开采问题，采用轻量化的连续采煤机双巷开采，后方梭车、履带式转载破碎机配套运输，掘进条带联巷，各设备机动灵活，机械化程度高，割煤和支护交替平行作业，极大地增加了不规则区域煤炭资源的开采效率；且其采用双巷全负压与局部通风相结合的通风系统，最大程度地减少局部通风巷道长度，掘进完成后巷道及时密闭充分减少巷道裸露时间，在使用连采机、梭车高效化掘进的矿井回收边角煤资源时可积极推广使用。