煤礦開拓大巷不同布置方案的對比分析

王旭杰

（西山煤電建筑工程集團有限公司礦建分公司，山西 太原 030053）

我國具有豐富的地下煤炭儲量，目前多以井下作業的方式進行開采，在開采過程中，礦井的開拓及巷道的布置對于煤礦的生產具有重要影響。巷道的布置方式不同，對于井下工程建設的施工成本及難度有直接的影響[1]，且不同的巷道布置方式，對于礦井煤層的開采量及作業安全性也會產生影響。在煤礦開采中，由于受煤層開采及地質構造影響，常對斜煤層進行開采。而在煤層開采過程中[2]，巷道的開拓布置（特別是開拓大巷的布置）要綜合礦井的地質構造、地面建設條件及煤層賦存條件的少壓煤量進行整體分析布置。根據開拓大巷的布置效果對斜煤層開采的煤礦開拓大巷布置方案進行比較分析[3]，從而保證礦井的開拓大巷布置效果最佳及煤礦開采的合理性。

1 開拓大巷不同布置方案的設計

以某斜煤層煤礦的開采為例，對開拓大巷的布置進行分析，煤層的平均分布傾角為42°，煤層的厚度為5～14 m 不等[4]，擬對煤層采用綜采放頂煤的工藝形式進行開采。綜放開采工作面沿著煤層的傾角方向進行布置，沿著煤層的方向推進，工作面長度設計為100 m。在開采過程中，將開拓大巷布置在穩定的巖層[5]，以保證開采過程的安全性，且要盡量少壓煤，減少巷道煤柱的寬度，從而提高煤的產量。依據煤層的分布形式，設計了兩種不同的開拓大巷布置方案。

方案一的開拓大巷布置方式如圖1 所示，在沿著煤層的分布方向上，將帶式輸送機大巷布置在煤層頂板，輔助大巷布置在與帶式輸送機大巷間隔30 m位置處[6]，且位于煤層底部的巖層中，與煤層底板的垂直距離為17 m，巷道高度依據煤層的平均厚度進行設計，平均高度為10 m。

圖1 開拓大巷的布置方案一示意圖

方案二的開拓大巷布置方式如圖2 所示，與方案一中布置在巷道的一上一下位置不同，將帶式輸送機大巷與輔助大巷均布置在傾斜煤層上方的巖層中[7]，帶式輸送機大巷與巷道頂板間的垂直距離為20 m，輔助大巷與帶式輸送機間的水平距離同樣為30 m，巷道高度同樣依據煤層的平均厚度進行設計，平均高度為10 m。

圖2 開拓大巷的布置方案二示意圖

2 開拓大巷不同布置方案的對比分析

2.1 綜采工作面對開拓大巷煤柱寬度的影響計算

煤層開采過程中，預留的巷道煤柱可對開拓大巷進行支撐，以保證巷道的穩定性及安全性。隨著煤層的開采，地質應力進行重新分布，采空區的邊緣距離不斷增加，將采空區附近的煤層看做彈性體[8]，則此時預留煤柱的應力隨著開采距離的增加呈指數型分布狀態，具體變化情況如下頁圖3 所示。從圖3 中可以看出，隨著開采過程的進行，工作面的煤層進行應力重構，形成不同的煤層應力分布區。當煤層處于彈塑性狀態時[9]，則煤層的應力分布如圖3 中2 處所示。通過對煤層應力的重新分布可知，開拓大巷的預留煤柱應布置在開采的彈性區，從而可以保證自身的承載能力，同時較小的應力狀態可以減小預留煤柱的寬度，從而減小開拓大巷的壓煤量。

圖3 傾斜煤層開采時的應力分布

依據傾斜煤層開采時的應力分布，對開拓大巷預留煤柱的寬度進行計算。依據煤柱載荷的輔助面積理論，在對巷道掘進后[10]，煤柱承受的來自上覆巖層的載荷呈均勻分布的狀態，載荷的大小為巷道寬度一半巖層的載荷值。因此，巷道進行掘進作業后，預留煤柱的承載值為[11]：

式中：p 為預留煤柱承受的載荷值，MN/m；a 為預留煤柱的寬度值，m；D 為開拓大巷的寬度值，m；γ 為巷道上覆巖層的密度值，MN/m3；H 為煤層開采的深度值，m。

由于煤柱所承受的載荷呈均勻分布的形式，則可以計算預留煤柱受到的平均應力值為：

式中：Sp為預留煤柱承受的平均應力值，MPa；k 為煤層開采時受到采動作用的影響系數，采動應力小于25 MPa 時，k 取2.5。

為保證開拓大巷的支撐穩定及安全性，預留煤柱的強度要滿足一定的安全條件。預留煤柱的強度計算公式為[12]：

式中：σp為預留煤柱的強度，MPa；σc為預留煤柱單軸的抗壓強度值，MPa；h 為預留煤柱的高度值，m；A、B 為計算常數值，A=0.678，B=0.322。

進行煤柱設計時，煤柱的強度要滿足一定的安全條件，即安全系數應在1.3～2 之間。安全系數的計算方法為：

式中：F 為預留煤柱的安全系數值。

依據煤礦開拓大巷的設計方案，對預留煤柱的寬度進行計算，巷道的寬度為4.5 m，上覆巖層的平均密度為0.025 MN/m3，煤層的開采深度為765 m，預留煤柱單軸抗壓強度為11 MPa，取煤柱的安全系數為2，則由此可計算出巷道預留煤柱的寬度為21.6 m。

考慮煤層的傾角對巷道煤柱寬度的影響作用，煤層的平均傾角為42°，則預留護巷煤柱寬度a'=21.06/cos42°=29.06 m。

由此，將傾斜煤層開采的煤柱寬度選定為30 m，則在方案一中帶式輸送機大巷兩側的預留煤柱寬度可取為30 m，以保證煤礦的安全開采。而在方案二中，由于帶式輸送機大巷布置在上覆巖層中，除受到煤層開采的影響作用外，還受到礦井自身上下山移動角的影響，于是對方案二中的預留煤柱寬度進行進一步分析。

2.2 礦井上下山移動角對開拓大巷煤柱寬度的影響計算

依據礦井的上下山移動角對開拓大巷的影響，對方案二中的預留煤柱寬度進行計算。礦井的上下山移動角對開拓大巷的影響如圖4 所示，沿著煤層的傾斜方向，在采空區與帶式輸送機大巷間保留30 m的護巷煤柱，則此時下山移動角的影響線包含在護巷煤柱的范圍之內，對開拓大巷的煤柱不構成影響。因此只對上山移動角的影響作用進行分析，從圖4中可以看出，在方案二中，開拓大巷預留煤柱的寬度可以表示為：

式中：M 為開拓大巷預留煤柱的寬度，m；x2、x4、x6分別為圖4 中所示的上山移動角的影響線對開拓大巷在傾斜煤層上的長度影響值，m。

圖4 上下山移動角對方案二開拓大巷的影響示意圖

由于煤層的傾角值為42°，上山移動角值為76°，煤層的傾角長度均為正值，則通過相關計算可以發現，方案二中開拓大巷預留煤柱的寬度要遠大于方案一中的長度。基于此，再依據開拓巷道要盡量提高產煤量的要求，對比得出方案一的開拓大巷布置方式要優于方案二中的布置方式，同時可滿足開拓大巷布置穩定的要求，因此，應優選方案一開拓大巷的布置方式進行傾斜煤層的開采。

3 結論

在對傾斜煤層進行開采時，開拓大巷的布置方式對煤礦的開采量及安全性具有重要的影響。對某傾斜煤層進行開采時，設計了兩種不同的開拓大巷的布置方式，依據開拓大巷的應力分布，方案一的開拓大巷煤柱寬度計算值為30 m；由于方案二中的開拓大巷煤柱寬度受到上下山移動角的影響，對其煤柱寬度進行計算可知，方案二的煤礦寬度要遠大于30 m。因此，為保證煤礦較高的產量，減少預留煤柱的壓煤，應優先選擇方案一中的開拓大巷布置方式進行開采。