工作面跨大巷连续开采大巷层位优化技术研究

王朝阳 刘 思 李 鹏

（1.沁和能源集团有限公司，山西 晋城 048200；
2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116）

煤炭开采过程中，大巷服务年限较长，而由于大巷与煤层所处空间层位不同，大巷受工作面超前支承应力影响也不同，大巷层位调整及跨大巷开采可行性研究是大巷围岩稳定性面临的双重难题[1-4]。对于工作面超前支承应力传播规律问题，郭靖等[5]通过运用数值模拟与弹塑性理论，建立了工作面超前支承应力力学模型和数值模型，得出了底板大巷在超前高应力区和采后低应力区的应力分布规律。

目前端氏煤矿主采3#煤层，新掘大巷位于煤层以下8～10 m。由图1 可知，新掘大巷距3#煤采区东部边界约1289 m，如采用工作面跨大巷连续开采，大约还剩6 个工作面，每个跨大巷工作面走向长度约1850 m，倾向长度约200 m。3#煤及顶底板岩层柱状表，见表1。

表1 岩层柱状表

图1 采掘工程平面图

目前大巷以K6 灰岩为帮部，工作面两翼开采搬家次数多。大巷受工作面超前支承应力影响破坏严重，大巷保护煤柱资源不能尽快回收。因此，对大巷层位优化并实施工作面跨大巷连续开采。

式中：L为工作面倾斜长度，取200 m；
r为工作面顶板岩石容重，kN/m3；
H为煤层埋深，取650 m；
Rmc为工作面底板的平均抗压强度，取37.9 MPa。

（2）通过塑性滑移线理论和莫尔强度准则，可以求得工作面底板的最大破坏深度[8]为：

式中：L为工作面前方煤壁屈服宽度，取10 m；
底板内摩擦角φ0取底板砂质泥岩的内摩擦角27.8°。

（3）通过工程实践经验，在结合端氏煤矿3#煤顶底板地质条件的基础上，采用沙曲矿、长平煤矿、永红煤矿等山西组矿区统计得到的计算公式可求得工作面底板破坏深度为[6,9]：

2.1 工作面底板破坏深度分析

（1）通过弹性理论，工作面底板最大破坏深度Dmax[6-7]为：

式中：H为煤层埋深，取650 m；
L为工作面倾斜长度，取200 m；
M为煤层采高，取4.92 m。

综上理论计算分析，得到了端氏煤矿3#煤工作面底板最大破坏深度为14.72 m，故目前大巷层位（大巷位于煤层以下8～10 m）还不适合工作跨大巷连续开采。

2.2 工作面底板应力分布规律及其大巷层位优化数值模拟分析

（1）工作面底板应力分布规律分析

根据端氏煤矿3#煤地质情况及其岩石力学参数（表2），沿工作面中部底板垂直深度为5 m、10 m、15 m、20 m 和25 m 位置布置测线，分别提取出工作面推进50 m、60 m、80 m、100 m、120 m 时各测线上围岩的应力及变形情况。其中，当工作面推进120 m 时的模拟示意图如图2，推进120 m 时各测线上的岩石应力值如图3，其他推进距离及其他层位测线的应力情况由总的模拟结果统计如图4。

图2 数值模拟示意图（工作面推进120 m 时）

图3 不同层位测线岩石应力统计图（工作面推进120 m时）

表2 主要岩层力学参数表

由图2 ～图4 可知，随着工作面的推进，工作面底板超前支承应力越来越大。由工作面底板以下5 m 岩层应力变化情况可知，工作面推进50～80 m时，应力变化幅度大；
当工作面推进到100 m 时，应力达到峰值32.5 MPa；
继续推进到120 m 时，应力值基本持平。说明工作面推进100 m 时，工作面顶部坚硬岩层已发生破断，工作面继续推进对底部岩层应力的影响基本不会增加。通过对比距工作面底板不同深度岩层的应力变化可知，随着距工作面距离的增加，底板岩层受工作面回采影响越来越小，在距工作面底板以下25 m 时，工作面超前支承应力对岩层的影响达到最小约19 MPa，继续往下会加大地应力对岩层的影响，说明工作面底板以下25 m深度的岩石达到了受工作面超前支承应力和地应力同时影响的最小值，此岩层有利于布置大巷减小巷道围岩变形，保障大巷围岩的稳定性。

图4 工作面回采对不同底部深度岩层应力的影响统计图

（2）大巷层位优化

大巷为矩形巷道，以轨道大巷为例，掘进宽5.5 m，掘进高4.3 m，掘进面积为21.48 m2。为确定大巷层位，结合上节工作面底板应力分布规律，需要有针对性地模拟大巷分别位于煤层以下5 m、10 m、15 m、20 m 和25 m（底板为K5 灰岩），且工作面推进100 m 时，工作面超前支承应力对巷道围岩应力和变形的影响，其中巷道围岩参数取值同表1 所示。以大巷布置在煤层以下5 m 为例，数值模拟示意图如图5 所示，其中测线上的应力由图中曲线表示，其他推进距离下及其他层位巷道测线的应力及变形情况由数据统计图表示。

图5 巷道围岩应力示意图（工作面推进100 m，大巷位于煤层以下5 m 时）

当大巷层位分别位于煤层以下5 m、10 m、15 m、25 m、30 m 时，分析得出了工作面超前支承应力对工作面底板大巷围岩应力与变形随大巷层位变化的规律，其中，不同层位下大巷围岩最大应力和最大变形统计图分别如图6、图7。

由图6 可知，随着距工作面底板深度的增加，巷道围岩应力受工作面超前支承应力影响逐渐减小，其中以帮部和顶板应力变化最为明显。其中，大巷位于煤层以下10 m 时，顶底板和帮部的应力分别为29.8 MPa、22.5 MPa 和37.2 MPa，与矿上提供的监测数据接近；
而当大巷位于煤层以下25 m，以K5 灰岩为底板时，顶底板和帮部的应力分别为18.4 MPa、16.2 MPa 和25.2 MPa；
当大巷布置在煤层以下30 m 的位置时，顶底板应力较底板以下25 m 有所上升。由图7 可知，随着距工作面底板深度的增加，巷道围岩变形逐渐减小，而当大巷位于煤层以下25 m 时的变形相比其他层位小，顶底板和帮部的变形仅为68 mm、32 mm 和60.2 mm。

图6 不同层位大巷围岩最大应力统计图

图7 不同层位大巷围岩最大变形统计图

综上，通过工作面底板应力分布规律及不同层位大巷应力及变形规律可知，当大巷布置在煤层以下25 m 以K5 灰岩为底板实行工作面跨大巷连续开采时，大巷受工作面超前支承应力影响小，大巷变形小，可以保障大巷围岩的稳定性。

（1）通过结合弹性理论、塑性滑移线理论、莫尔强度准则和工程实践经验计算公式，得到端氏煤矿3#煤工作面底板最大破坏深度为14.72 m，目前大巷层位（大巷位于煤层以下8～10 m）布置不适合工作面跨大巷连续开采。

（2）通过理论计算、工作面底板应力分布规律及其对比不同层位大巷应力及变形规律可知，当将大巷布置在煤层以下25 m 以K5 灰岩为底板且实行工作面跨大巷连续开采时，大巷不仅不在工作面底板破坏深度范围内，而且大巷受工作面超前支承应力影响小，故选择将大巷布置在煤层以下25 m以K5 灰岩为底板实行工作面跨大巷连续开采，提高生产效率，保障大巷围岩稳定性。

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