跨采暗斜井工作面相關(guān)參數(shù)優(yōu)化研究與實(shí)踐

任興云，郝兵元

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

在我國(guó)現(xiàn)有開(kāi)采技術(shù)條件下，當(dāng)井田內(nèi)賦存多層可采煤層時(shí)，為了避免出現(xiàn)蹬空開(kāi)采的現(xiàn)象并破壞煤層賦存結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，一般采取下行開(kāi)采順序，即先回采上方煤層，再回采下方煤層[1，2]。向下方煤層延深布置開(kāi)采系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)穿層暗斜井位于正在回采工作面下方，導(dǎo)致穿層暗斜井受采動(dòng)影響的情況[3]，目前針對(duì)這一問(wèn)題的解決方法是保守地劃定大距離終采線，在穿層暗斜井上方留設(shè)寬保護(hù)煤柱[4]。這種布置方式雖然能夠滿足保護(hù)回采工作面下方穿層暗斜井的要求，但會(huì)因終采線劃定距離較大而丟失大量寶貴的煤炭資源，與高采出率的要求相悖，不利于提高礦井經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)目前穿層暗斜井位于正在回采工作面下方時(shí)，需要?jiǎng)澏ù缶嚯x終采線造成煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，需要對(duì)煤層開(kāi)采造成的圍巖應(yīng)力分布和底板損傷狀態(tài)進(jìn)行分析，科學(xué)劃定終采線位置，優(yōu)化跨采工作面的布置方式，在保護(hù)穿層暗斜井安全穩(wěn)定的前提下，盡可能多地采出煤炭資源。

1 工程概況

山西神州煤業(yè)有限責(zé)任公司現(xiàn)采的4#煤層資源已接近枯竭，目前正在以后退方式回采+750水平4#煤層的最后一個(gè)工作面，即4102工作面。4#煤層平均厚度1.8m，走向東北-西南，傾向東南，傾角0°～4°；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固性系數(shù)1～2，原煤視(相對(duì))密度1.36t/m3。4102工作面沿4#煤層傾向布置，標(biāo)高731～763m，走向長(zhǎng)度1230m，傾斜長(zhǎng)度180m，采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝，采高1.8m，回采循環(huán)進(jìn)尺0.6m，采用全部垮落法處理采空區(qū)。

為滿足采掘銜接和延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，下方8#煤延深開(kāi)采工程正在進(jìn)行，8#煤與其上方4#煤層之間的平均垂直距離約60m。為了連接現(xiàn)有+750水平和下方8#煤開(kāi)采水平，對(duì)現(xiàn)有行人進(jìn)風(fēng)斜井進(jìn)行反向掘進(jìn)延深，新掘行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段屬于開(kāi)拓延深暗斜井，在該巷道內(nèi)布置架空乘人裝置用于8#煤開(kāi)采行人、通風(fēng)及安全通道。行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為544m，沿4#煤層與8#煤層之間的煤、巖層傾斜布置，傾角為14°，巷道上方為正在回采的4102工作面，行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段與4102工作面采掘布置空間位置如圖1所示。由圖1可知，4102工作面回采滯后于行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段掘進(jìn)，行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段掘進(jìn)完成后會(huì)受到上部4102工作面回采影響。行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段掘進(jìn)斷面為矩形，斷面尺寸寬×高=4.2m×3.0m，采用“錨網(wǎng)索+混凝土噴層”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行支護(hù)，具體支護(hù)方案如圖2所示。

圖1 行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段與4102工作面采掘布置空間位置

圖2 行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段支護(hù)斷面圖(mm)

4102工作面為神州煤礦4#煤層最后一個(gè)回采工作面，由于4#煤為優(yōu)質(zhì)主焦煤，為了盡可能多地采出4#煤，提高采出率和創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，需在保證行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段安全穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化4102工作面的布置方式和科學(xué)劃定終采線位置。

2 煤層開(kāi)采圍巖應(yīng)力分布與底板損傷狀態(tài)分析

2.1 煤層開(kāi)采圍巖應(yīng)力分布

上部煤層開(kāi)采后，采空區(qū)頂板的垮落情況對(duì)工作面支承壓力、煤柱和采空區(qū)底板的載荷分布有直接影響[5，6]。長(zhǎng)壁工作面采空區(qū)周圍的應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)壁工作面采場(chǎng)應(yīng)力分布

2.1.1 煤壁的支承壓力集度

將支承壓力峰值位置到煤壁的距離和支承壓力影響邊界到煤壁的距離分別記為x1與x，并假設(shè)煤壁內(nèi)的支承壓力由峰值位置到其影響邊界按照線性遞減規(guī)律變化[7，8]。即在極限平衡區(qū)內(nèi)由0增長(zhǎng)到峰值，在彈性區(qū)內(nèi)由峰值減小到原巖應(yīng)力。則支承壓力集度qp為：

對(duì)式(2)進(jìn)行進(jìn)一步整理得：

式中，γ為上覆巖層的容重，N/m3；H為開(kāi)采深度，m；k為應(yīng)力增高系數(shù)。

2.1.2 采空區(qū)底板的載荷集度

當(dāng)長(zhǎng)壁工作面回采推進(jìn)一定距離時(shí)，采空區(qū)上方的巖層充分垮落而趨于穩(wěn)定狀態(tài)，距回采面較遠(yuǎn)的冒落矸石逐漸被壓實(shí)。因此，采空區(qū)底板內(nèi)的載荷集度qcp可按下式計(jì)算：

qcp=γ(H-M)

(3)

式中，M為采高，m。

2.2 煤層開(kāi)采底板損傷狀態(tài)分析

由巖石力學(xué)和彈塑性力學(xué)相關(guān)知識(shí)可知，上部煤層的開(kāi)采方法不同會(huì)直接影響到位于其下部采掘空間頂板的整體力學(xué)環(huán)境，進(jìn)而引發(fā)底板巖層的變形及破壞程度也不同[9-12]。

Ⅰ—主動(dòng)極限區(qū)；Ⅱ—過(guò)渡區(qū)；Ⅲ—被動(dòng)極限區(qū)

則如圖4所示，綜采工作面端部煤壁塑性區(qū)寬度x0為：

底板最大屈服破壞深度hm為：

采空區(qū)四周沿水平方向的屈服破壞長(zhǎng)度r0為：

將以上數(shù)據(jù)代入式(4)—式(6)，分別計(jì)算出綜采工作面端部煤壁塑性區(qū)寬度x0為6.83m，底板最大屈服破壞深度hm為13.1m，采空區(qū)四周沿水平方向的屈服破壞長(zhǎng)度r0為7.4m。

3 穿層傾斜大巷上方回采工作面優(yōu)化布置及實(shí)施效果分析

3.1 穿層傾斜大巷上方4102回采工作面優(yōu)化布置

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行決策，行人進(jìn)風(fēng)斜井的頂板錨索長(zhǎng)度l為6m，頂板錨索不能進(jìn)入底板屈服破壞范圍(頂板錨索必須錨固在穩(wěn)定巖層中)[13，14]，行人斜井的傾斜角度θ=14°，則4102回采工作面停采縮短工作面的位置距離行人斜井延深段揭露4#煤層點(diǎn)(見(jiàn)煤點(diǎn))之間的水平距離Lm為：

采取縮短工作面長(zhǎng)度的布置方式[15]，當(dāng)4102工作面回采位置距行人進(jìn)風(fēng)斜井見(jiàn)煤點(diǎn)之間的水平距離為76.4m時(shí)，縮短工作面長(zhǎng)度。根據(jù)4102工作面與行人斜井延深段采掘布置平面圖，縮短工作面的位置距離正在掘進(jìn)行人進(jìn)風(fēng)斜井與已有巷道貫通點(diǎn)為124m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采空區(qū)四周沿水平方向的屈服破壞區(qū)長(zhǎng)度r0為7.4m，以此作為留設(shè)行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段與上方縮短后4102工作面之間水平距離的依據(jù)，考慮一定的安全因素，即留設(shè)的水平距離確定為8m，縮短后的工作面寬度為117.5m。

由于煤巖層交界附近圍巖的整體穩(wěn)定性及物理力學(xué)性能均較差，同時(shí)按照《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于采區(qū)護(hù)巷煤柱留設(shè)的相關(guān)規(guī)定，縮短后4102工作面的終采線位置為行人斜井延深段揭露4#煤層點(diǎn)，即縮短后4102工作面終采線與避難硐室之間的保護(hù)煤柱尺寸為47.5m?？s短后的4102工作面布置及終采線位置如圖5所示。

圖5 縮短后4102工作面布置平面圖

考慮煤巖層交界附近圍巖的整體穩(wěn)定性及物理力學(xué)性能較差，因此，現(xiàn)場(chǎng)行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段揭露4#煤層范圍及兩端前后各10m，在采取正常錨網(wǎng)索噴支護(hù)的基礎(chǔ)上，采取了按棚距0.5m架設(shè)工字鋼棚的加強(qiáng)支護(hù)措施。

3.2 實(shí)施效果分析

神州煤業(yè)行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段反向掘進(jìn)延深與現(xiàn)有巷道貫通25d后，4102工作面回采推進(jìn)至優(yōu)化縮短位置，按照?qǐng)D5(a)中密閉墻的位置密閉4102工作面原回風(fēng)巷道，并新開(kāi)4102回風(fēng)巷道?？s短后的4102工作面寬度為117.5m，回采長(zhǎng)度為76.5m，按照4#煤層平均厚度1.8m、原煤相對(duì)密度1.36t/m3計(jì)算，實(shí)際多采出煤炭資源117.5×76.5×1.8×1.36≈2.2萬(wàn)t，為該礦創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，且有利于采掘銜接。

縮短后的4102工作面回采至設(shè)計(jì)終采線位置持續(xù)了約30d時(shí)間，在行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段內(nèi)沿巷道軸向每隔15m布置巷道表面位移觀測(cè)站，采用十字布線法觀測(cè)記錄縮短后4102工作面回采期間及后續(xù)3個(gè)月時(shí)間行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段頂?shù)装寮皟蓭偷囊平俊?/p>

礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段采取錨網(wǎng)索噴正常支護(hù)和見(jiàn)煤點(diǎn)局部范圍架設(shè)工字鋼棚加強(qiáng)支護(hù)條件下，在上方4102工作面優(yōu)化布置后回采期間及后續(xù)3個(gè)月的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r的移近量均小于10mm。因此，行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段未受到優(yōu)化布置后4102工作面回采及后續(xù)采空區(qū)覆巖移動(dòng)的影響，處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

1)計(jì)算得出4102綜采工作面端部煤壁塑性區(qū)寬度為6.83m，采空區(qū)四周沿水平方向的屈服破壞區(qū)長(zhǎng)度為7.4m，以此作為留設(shè)行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段與上方縮短后4102跨采工作面之間水平距離的依據(jù)，考慮一定的安全因素，即留設(shè)的水平距離為8m。

2)計(jì)算4102工作面底板的最大屈服破壞范圍為13.1m，行人進(jìn)風(fēng)斜井的頂板錨索長(zhǎng)度為6m，頂板錨索不能進(jìn)入底板屈服破壞范圍，則當(dāng)4102工作面與下方行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段之間的垂直距離為19.1m時(shí)，新掘4102回風(fēng)巷道，縮短回采工作面長(zhǎng)度至117.5m。

3)縮短后4102工作面的終采線位置為行人斜井延深段揭露4#煤層點(diǎn)，即縮短后4102工作面終采線與避難硐室之間的保護(hù)煤柱尺寸為47.5m，縮短后該工作面可回采推進(jìn)76.5m，多采出約2.2t優(yōu)質(zhì)主焦煤資源。

4)現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)結(jié)果表明，行人進(jìn)風(fēng)斜井延深段未受到優(yōu)化布置后4102工作面回采及后續(xù)采空區(qū)覆巖移動(dòng)的影響，處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。今后要繼續(xù)監(jiān)測(cè)行人斜井延深段在服務(wù)期間的礦壓顯現(xiàn)情況，進(jìn)一步優(yōu)化類似條件工作面的相關(guān)參數(shù)。