工作面跨大巷連續(xù)開采大巷層位優(yōu)化技術研究

王朝陽 劉 思 李 鵬

（1.沁和能源集團有限公司，山西 晉城 048200；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

煤炭開采過程中，大巷服務年限較長，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力影響也不同，大巷層位調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]。對于工作面超前支承應力傳播規(guī)律問題，郭靖等[5]通過運用數(shù)值模擬與彈塑性理論，建立了工作面超前支承應力力學模型和數(shù)值模型，得出了底板大巷在超前高應力區(qū)和采后低應力區(qū)的應力分布規(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 個工作面，每個跨大巷工作面走向長度約1850 m，傾向長度約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力影響破壞嚴重，大巷保護煤柱資源不能盡快回收。因此，對大巷層位優(yōu)化并實施工作面跨大巷連續(xù)開采。

式中：L為工作面傾斜長度，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度，取37.9 MPa。

（2）通過塑性滑移線理論和莫爾強度準則，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；底板內摩擦角φ0取底板砂質泥巖的內摩擦角27.8°。

（3）通過工程實踐經(jīng)驗，在結合端氏煤礦3#煤頂?shù)装宓刭|條件的基礎上，采用沙曲礦、長平煤礦、永紅煤礦等山西組礦區(qū)統(tǒng)計得到的計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為工作面傾斜長度，取200 m；M為煤層采高，取4.92 m。

綜上理論計算分析，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）工作面底板應力分布規(guī)律分析

根據(jù)端氏煤礦3#煤地質情況及其巖石力學參數(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 位置布置測線，分別提取出工作面推進50 m、60 m、80 m、100 m、120 m 時各測線上圍巖的應力及變形情況。其中，當工作面推進120 m 時的模擬示意圖如圖2，推進120 m 時各測線上的巖石應力值如圖3，其他推進距離及其他層位測線的應力情況由總的模擬結果統(tǒng)計如圖4。

圖2 數(shù)值模擬示意圖（工作面推進120 m 時）

圖3 不同層位測線巖石應力統(tǒng)計圖（工作面推進120 m時）

表2 主要巖層力學參數(shù)表

由圖2 ～圖4 可知，隨著工作面的推進，工作面底板超前支承應力越來越大。由工作面底板以下5 m 巖層應力變化情況可知，工作面推進50～80 m時，應力變化幅度大；當工作面推進到100 m 時，應力達到峰值32.5 MPa；繼續(xù)推進到120 m 時，應力值基本持平。說明工作面推進100 m 時，工作面頂部堅硬巖層已發(fā)生破斷，工作面繼續(xù)推進對底部巖層應力的影響基本不會增加。通過對比距工作面底板不同深度巖層的應力變化可知，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，工作面超前支承應力對巖層的影響達到最小約19 MPa，繼續(xù)往下會加大地應力對巖層的影響，說明工作面底板以下25 m深度的巖石達到了受工作面超前支承應力和地應力同時影響的最小值，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 工作面回采對不同底部深度巖層應力的影響統(tǒng)計圖

（2）大巷層位優(yōu)化

大巷為矩形巷道，以軌道大巷為例，掘進寬5.5 m，掘進高4.3 m，掘進面積為21.48 m2。為確定大巷層位，結合上節(jié)工作面底板應力分布規(guī)律，需要有針對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100 m 時，工作面超前支承應力對巷道圍巖應力和變形的影響，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，其中測線上的應力由圖中曲線表示，其他推進距離下及其他層位巷道測線的應力及變形情況由數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖表示。

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

當大巷層位分別位于煤層以下5 m、10 m、15 m、25 m、30 m 時，分析得出了工作面超前支承應力對工作面底板大巷圍巖應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力和最大變形統(tǒng)計圖分別如圖6、圖7。

由圖6 可知，隨著距工作面底板深度的增加，巷道圍巖應力受工作面超前支承應力影響逐漸減小，其中以幫部和頂板應力變化最為明顯。其中，大巷位于煤層以下10 m 時，頂?shù)装搴蛶筒康膽Ψ謩e為29.8 MPa、22.5 MPa 和37.2 MPa，與礦上提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)接近；而當大巷位于煤層以下25 m，以K5 灰?guī)r為底板時，頂?shù)装搴蛶筒康膽Ψ謩e為18.4 MPa、16.2 MPa 和25.2 MPa；當大巷布置在煤層以下30 m 的位置時，頂?shù)装鍛^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，而當大巷位于煤層以下25 m 時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力統(tǒng)計圖

圖7 不同層位大巷圍巖最大變形統(tǒng)計圖

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

3 主要結論

（1）通過結合彈性理論、塑性滑移線理論、莫爾強度準則和工程實踐經(jīng)驗計算公式，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）通過理論計算、工作面底板應力分布規(guī)律及其對比不同層位大巷應力及變形規(guī)律可知，當將大巷布置在煤層以下25 m 以K5 灰?guī)r為底板且實行工作面跨大巷連續(xù)開采時，大巷不僅不在工作面底板破壞深度范圍內，而且大巷受工作面超前支承應力影響小，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。