工作面跨大巷連續(xù)開采大巷層位優(yōu)化技術(shù)研究

王朝陽 劉 思 李 鵬

（1.沁和能源集團(tuán)有限公司，山西 晉城 048200；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

煤炭開采過程中，大巷服務(wù)年限較長(zhǎng)，而由于大巷與煤層所處空間層位不同，大巷受工作面超前支承應(yīng)力影響也不同，大巷層位調(diào)整及跨大巷開采可行性研究是大巷圍巖穩(wěn)定性面臨的雙重難題[1-4]。對(duì)于工作面超前支承應(yīng)力傳播規(guī)律問題，郭靖等[5]通過運(yùn)用數(shù)值模擬與彈塑性理論，建立了工作面超前支承應(yīng)力力學(xué)模型和數(shù)值模型，得出了底板大巷在超前高應(yīng)力區(qū)和采后低應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律。

1 工程概況

目前端氏煤礦主采3#煤層，新掘大巷位于煤層以下8～10 m。由圖1 可知，新掘大巷距3#煤采區(qū)東部邊界約1289 m，如采用工作面跨大巷連續(xù)開采，大約還剩6 個(gè)工作面，每個(gè)跨大巷工作面走向長(zhǎng)度約1850 m，傾向長(zhǎng)度約200 m。3#煤及頂?shù)装鍘r層柱狀表，見表1。

表1 巖層柱狀表

圖1 采掘工程平面圖

目前大巷以K6 灰?guī)r為幫部，工作面兩翼開采搬家次數(shù)多。大巷受工作面超前支承應(yīng)力影響破壞嚴(yán)重，大巷保護(hù)煤柱資源不能盡快回收。因此，對(duì)大巷層位優(yōu)化并實(shí)施工作面跨大巷連續(xù)開采。

式中：L為工作面傾斜長(zhǎng)度，取200 m；r為工作面頂板巖石容重，kN/m3；H為煤層埋深，取650 m；Rmc為工作面底板的平均抗壓強(qiáng)度，取37.9 MPa。

（2）通過塑性滑移線理論和莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則，可以求得工作面底板的最大破壞深度[8]為：

式中：L為工作面前方煤壁屈服寬度，取10 m；底板內(nèi)摩擦角φ0取底板砂質(zhì)泥巖的內(nèi)摩擦角27.8°。

（3）通過工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)合端氏煤礦3#煤頂?shù)装宓刭|(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用沙曲礦、長(zhǎng)平煤礦、永紅煤礦等山西組礦區(qū)統(tǒng)計(jì)得到的計(jì)算公式可求得工作面底板破壞深度為[6,9]：

2 大巷層位優(yōu)化

2.1 工作面底板破壞深度分析

（1）通過彈性理論，工作面底板最大破壞深度Dmax[6-7]為：

式中：H為煤層埋深，取650 m；L為工作面傾斜長(zhǎng)度，取200 m；M為煤層采高，取4.92 m。

綜上理論計(jì)算分析，得到了端氏煤礦3#煤工作面底板最大破壞深度為14.72 m，故目前大巷層位（大巷位于煤層以下8～10 m）還不適合工作跨大巷連續(xù)開采。

2.2 工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律及其大巷層位優(yōu)化數(shù)值模擬分析

（1）工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律分析

根據(jù)端氏煤礦3#煤地質(zhì)情況及其巖石力學(xué)參數(shù)（表2），沿工作面中部底板垂直深度為5 m、10 m、15 m、20 m 和25 m 位置布置測(cè)線，分別提取出工作面推進(jìn)50 m、60 m、80 m、100 m、120 m 時(shí)各測(cè)線上圍巖的應(yīng)力及變形情況。其中，當(dāng)工作面推進(jìn)120 m 時(shí)的模擬示意圖如圖2，推進(jìn)120 m 時(shí)各測(cè)線上的巖石應(yīng)力值如圖3，其他推進(jìn)距離及其他層位測(cè)線的應(yīng)力情況由總的模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖4。

圖2 數(shù)值模擬示意圖（工作面推進(jìn)120 m 時(shí)）

圖3 不同層位測(cè)線巖石應(yīng)力統(tǒng)計(jì)圖（工作面推進(jìn)120 m時(shí)）

表2 主要巖層力學(xué)參數(shù)表

由圖2 ～圖4 可知，隨著工作面的推進(jìn)，工作面底板超前支承應(yīng)力越來越大。由工作面底板以下5 m 巖層應(yīng)力變化情況可知，工作面推進(jìn)50～80 m時(shí)，應(yīng)力變化幅度大；當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m 時(shí)，應(yīng)力達(dá)到峰值32.5 MPa；繼續(xù)推進(jìn)到120 m 時(shí)，應(yīng)力值基本持平。說明工作面推進(jìn)100 m 時(shí)，工作面頂部堅(jiān)硬巖層已發(fā)生破斷，工作面繼續(xù)推進(jìn)對(duì)底部巖層應(yīng)力的影響基本不會(huì)增加。通過對(duì)比距工作面底板不同深度巖層的應(yīng)力變化可知，隨著距工作面距離的增加，底板巖層受工作面回采影響越來越小，在距工作面底板以下25 m 時(shí)，工作面超前支承應(yīng)力對(duì)巖層的影響達(dá)到最小約19 MPa，繼續(xù)往下會(huì)加大地應(yīng)力對(duì)巖層的影響，說明工作面底板以下25 m深度的巖石達(dá)到了受工作面超前支承應(yīng)力和地應(yīng)力同時(shí)影響的最小值，此巖層有利于布置大巷減小巷道圍巖變形，保障大巷圍巖的穩(wěn)定性。

圖4 工作面回采對(duì)不同底部深度巖層應(yīng)力的影響統(tǒng)計(jì)圖

（2）大巷層位優(yōu)化

大巷為矩形巷道，以軌道大巷為例，掘進(jìn)寬5.5 m，掘進(jìn)高4.3 m，掘進(jìn)面積為21.48 m2。為確定大巷層位，結(jié)合上節(jié)工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律，需要有針對(duì)性地模擬大巷分別位于煤層以下5 m、10 m、15 m、20 m 和25 m（底板為K5 灰?guī)r），且工作面推進(jìn)100 m 時(shí)，工作面超前支承應(yīng)力對(duì)巷道圍巖應(yīng)力和變形的影響，其中巷道圍巖參數(shù)取值同表1 所示。以大巷布置在煤層以下5 m 為例，數(shù)值模擬示意圖如圖5 所示，其中測(cè)線上的應(yīng)力由圖中曲線表示，其他推進(jìn)距離下及其他層位巷道測(cè)線的應(yīng)力及變形情況由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖表示。

圖5 巷道圍巖應(yīng)力示意圖（工作面推進(jìn)100 m，大巷位于煤層以下5 m 時(shí)）

當(dāng)大巷層位分別位于煤層以下5 m、10 m、15 m、25 m、30 m 時(shí)，分析得出了工作面超前支承應(yīng)力對(duì)工作面底板大巷圍巖應(yīng)力與變形隨大巷層位變化的規(guī)律，其中，不同層位下大巷圍巖最大應(yīng)力和最大變形統(tǒng)計(jì)圖分別如圖6、圖7。

由圖6 可知，隨著距工作面底板深度的增加，巷道圍巖應(yīng)力受工作面超前支承應(yīng)力影響逐漸減小，其中以幫部和頂板應(yīng)力變化最為明顯。其中，大巷位于煤層以下10 m 時(shí)，頂?shù)装搴蛶筒康膽?yīng)力分別為29.8 MPa、22.5 MPa 和37.2 MPa，與礦上提供的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接近；而當(dāng)大巷位于煤層以下25 m，以K5 灰?guī)r為底板時(shí)，頂?shù)装搴蛶筒康膽?yīng)力分別為18.4 MPa、16.2 MPa 和25.2 MPa；當(dāng)大巷布置在煤層以下30 m 的位置時(shí)，頂?shù)装鍛?yīng)力較底板以下25 m 有所上升。由圖7 可知，隨著距工作面底板深度的增加，巷道圍巖變形逐漸減小，而當(dāng)大巷位于煤層以下25 m 時(shí)的變形相比其他層位小，頂?shù)装搴蛶筒康淖冃蝺H為68 mm、32 mm 和60.2 mm。

圖6 不同層位大巷圍巖最大應(yīng)力統(tǒng)計(jì)圖

圖7 不同層位大巷圍巖最大變形統(tǒng)計(jì)圖

綜上，通過工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律及不同層位大巷應(yīng)力及變形規(guī)律可知，當(dāng)大巷布置在煤層以下25 m 以K5 灰?guī)r為底板實(shí)行工作面跨大巷連續(xù)開采時(shí)，大巷受工作面超前支承應(yīng)力影響小，大巷變形小，可以保障大巷圍巖的穩(wěn)定性。

3 主要結(jié)論

（1）通過結(jié)合彈性理論、塑性滑移線理論、莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，得到端氏煤礦3#煤工作面底板最大破壞深度為14.72 m，目前大巷層位（大巷位于煤層以下8～10 m）布置不適合工作面跨大巷連續(xù)開采。

（2）通過理論計(jì)算、工作面底板應(yīng)力分布規(guī)律及其對(duì)比不同層位大巷應(yīng)力及變形規(guī)律可知，當(dāng)將大巷布置在煤層以下25 m 以K5 灰?guī)r為底板且實(shí)行工作面跨大巷連續(xù)開采時(shí)，大巷不僅不在工作面底板破壞深度范圍內(nèi)，而且大巷受工作面超前支承應(yīng)力影響小，故選擇將大巷布置在煤層以下25 m以K5 灰?guī)r為底板實(shí)行工作面跨大巷連續(xù)開采，提高生產(chǎn)效率，保障大巷圍巖穩(wěn)定性。