呂 龍

（山西壽陽潞陽祥升煤業(yè)有限公司）

沿空留巷已逐漸成為我國煤礦井工開采巷道布置的主要發(fā)展方向，也是煤炭綠色安全高效開采的要求［1］。沿空留巷是通過巷旁墻體支護(hù)的形式保留下來的，巷道位于減壓帶，因而巷道圍巖承受的上覆載荷較小，容易實(shí)現(xiàn)圍巖控制［2-3］。進(jìn)入新時(shí)代，山西煤炭企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展正向縱深推進(jìn)，不管是各級(jí)行政管理部門，還是行業(yè)管理部門，都特別重視鼓勵(lì)科研工作者及現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員，通過科技創(chuàng)新提高煤炭行業(yè)的技術(shù)水平，為煤炭行業(yè)健康發(fā)展保駕護(hù)航，實(shí)施沿空留巷具有良好的政策導(dǎo)向，既是國家戰(zhàn)略需要，也是山西轉(zhuǎn)型發(fā)展、爭(zhēng)做能源革命排頭兵的需要，意義重大［4-7］。

本研究以祥升煤礦擬在6#煤層工作面采用沿空留巷技術(shù)為研究背景，運(yùn)用數(shù)值模擬手段分析6#煤層開采時(shí)的采場(chǎng)及回采巷道的應(yīng)力分布，理論計(jì)算留巷支護(hù)參數(shù)，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益角度對(duì)6#煤層工作面沿空留巷可行性進(jìn)行探討。

1 工程背景

祥升煤業(yè)三采區(qū)范圍的6#煤層厚度為0.80～2.31 m，平均1.80 m，屬于中厚煤層。6#煤層上方為3#煤層采空區(qū)，下方為8#煤層。實(shí)體煤三采區(qū)6#煤層開采時(shí)不存在3#煤層采空區(qū)應(yīng)力集中問題，處于3#煤層采空區(qū)下方的卸壓區(qū)，如圖1所示。3#煤層與6#煤層之間的層間距平均為9.61 m，層間巖性主要為砂質(zhì)泥巖或泥巖、粉砂巖，屬于近距離煤層。實(shí)施祥升煤業(yè)上組煤三采區(qū)6#煤層留巷的煤層賦存及工程地質(zhì)條件可行。

2 煤層開采圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

2.1 模型建立

運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)3#煤層采空區(qū)下方的6#煤層回采工作面的礦壓規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究，6#與3#煤層間巖層結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)及礦壓特征。

為了消除計(jì)算中可能出現(xiàn)的邊界效應(yīng)，進(jìn)一步考慮到網(wǎng)格劃分高精度的要求，所建立的模型應(yīng)該具有足夠大的尺寸。本次FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型的尺寸為148 m×200 m×80 m（長(zhǎng)×寬×高），分別對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的x、y、z軸方向。其中x軸方向?yàn)?#煤層工作面的傾向，y軸方向?yàn)?#煤層工作面的回采推進(jìn)方向，z軸方向?yàn)閹r層指向地表的方向。模型共劃分為285 600個(gè)網(wǎng)格，包含300 612個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)祥升煤業(yè)三采區(qū)6#煤層的地質(zhì)情況，模型上表面載荷取上覆巖層重力引起的平均原巖應(yīng)力，為6.25 MPa。數(shù)值計(jì)算采用的煤巖力學(xué)參數(shù)見表1，數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

2.2 模擬結(jié)果分析

近距離煤層開采由于煤層間距較小，且上部煤層已回采形成采空區(qū)，與單一煤層工作面的礦壓規(guī)律具有顯著的區(qū)別。數(shù)值模擬得到的采場(chǎng)圍巖應(yīng)力云圖及塑性區(qū)破壞圖分別如圖3所示。

?

6#煤層開采不僅會(huì)使其頂板巖層的垂直應(yīng)力降低，同時(shí)上部3#煤層工作面頂板巖層的應(yīng)力降低區(qū)范圍進(jìn)一步向上擴(kuò)大。6#煤層工作面回采巷道上方的頂板巖層受煤柱及巷內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐作用，應(yīng)力降低幅度小于工作面范圍的頂板巖層。6#煤層開采后，工作面中部的直接頂泥巖發(fā)生拉伸破壞，隨采隨垮落；老頂粉砂巖層的拉伸破壞程度較小，未達(dá)到該巖層結(jié)構(gòu)的極限抗拉強(qiáng)度前并不隨采隨垮落，可形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，支撐著上覆泥巖層及3#煤層采空區(qū)已垮落矸石。當(dāng)6#煤層工作面的回采范圍達(dá)到一定面積時(shí)，老頂粉砂巖層發(fā)生初次斷裂和周期斷裂，采場(chǎng)及回采巷道伴隨出現(xiàn)周期來壓現(xiàn)象。同時(shí)，上部3#煤層已破斷頂板巖層結(jié)構(gòu)的破壞范圍進(jìn)一步向上部擴(kuò)展，并發(fā)生垮落失穩(wěn)，從而對(duì)6#煤層工作面采場(chǎng)來壓有一定影響，加劇了6#煤層工作面的來壓強(qiáng)度。6#煤層工作面回采巷道上方的頂板巖層受煤柱及巷內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐作用，回采巷道上方的頂板巖層破壞程度較小，能保持沿空巷道圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

綜合上述分析，6#煤層開采時(shí)的采場(chǎng)及回采巷道的應(yīng)力分布具有如下規(guī)律。

（1）由于在采空區(qū)下開采，6#煤層開采時(shí)采場(chǎng)及回采巷道的應(yīng)力分布規(guī)律與單一煤層開采時(shí)有明顯區(qū)別，工作面煤層整體處于應(yīng)力降低區(qū)，但由于自身頂板巖層能夠形成穩(wěn)定的基本頂結(jié)構(gòu)，工作面端部及回采巷道受本工作面采動(dòng)影響造成的超前支撐壓力較大。

（2）隨著6#煤層工作面回采推進(jìn)，本煤層工作面會(huì)出現(xiàn)初次來壓及周期來壓現(xiàn)象，來壓程度較單一煤層開采小。上部3#煤層已垮落穩(wěn)定的采空區(qū)頂板巖層結(jié)構(gòu)受6#煤層回采影響，破壞范圍進(jìn)一步向上部擴(kuò)展，并發(fā)生二次垮落失穩(wěn)。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

3.1 巷旁墻體設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

根據(jù)礦壓規(guī)律及墻體承載性能，設(shè)計(jì)堆噴構(gòu)筑巷旁混凝土墻體的厚度為1.5 m，強(qiáng)度等級(jí)為C30，墻體內(nèi)豎直放置2層直徑為6 mm、網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm的鋼筋網(wǎng)片，兩層網(wǎng)片間隔1 m放置于墻體內(nèi)部，網(wǎng)片規(guī)格為1.5 m×3.0 m；沿墻體高度用4根直徑為20 mm、長(zhǎng)度為1 m的的橫向鋼筋固定網(wǎng)片位置，橫向固定鋼筋的間距為1 m，排距為1 m。巷旁混凝土墻體單位長(zhǎng)度的承載能力N為

式中，fc為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；φ為受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性系數(shù)；A為單位長(zhǎng)度巷旁墻體的橫截面面積，m2。

計(jì)算得出N=19 208.475 kN。

以祥升煤業(yè)三采區(qū)6#煤層工作面寬度為200 m，煤層埋深250 m，采高1.8 m，每天推進(jìn)5 m，周期來壓步距參考6202工作面回采規(guī)程取20 m；沿空留巷尺寸為4.5 m×3.0 m的矩形斷面，直接頂為4.3 m的泥巖、老頂為4.06 m的粉砂巖，上覆巖層的平均密度為2 500 kg/m3，側(cè)壓系數(shù)為0.3，應(yīng)力集中系數(shù)為3，巷幫支護(hù)阻力為0.1 MPa，計(jì)算得出頂板巖層施加到巷旁墻體上的垂直載荷FN=4 445 kN。

理論計(jì)算得到堆噴形成厚度為1.5 m混凝土巷旁墻體的承載能力為19 208.475 kN，是垂直載荷FN的4.3倍，即巷旁墻體的承載安全系數(shù)為4.3，大于采動(dòng)影響造成的應(yīng)力集中系數(shù)3，可以滿足留巷及復(fù)用期間的承載要求。

3.2 巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核

祥升煤業(yè)6#煤層工作面回采巷道斷面為4.5 m×3 m的矩形，為了有利于巷道圍巖控制，巷道沿6#煤層頂板掘進(jìn)。巷道掘進(jìn)時(shí)，需預(yù)留出巷旁墻體的位置。根據(jù)沿空留巷方案設(shè)計(jì)，巷旁墻體的寬度為1.5 m。因此，巷道掘進(jìn)寬度為留巷后巷道寬度與巷旁墻體厚度之和，即6#煤層工作面擬實(shí)施沿空留巷的巷道掘進(jìn)斷面為6.0 m×3 m的矩形，掘進(jìn)期間的支護(hù)方式為頂板采用錨桿+鋼帶+鋼筋網(wǎng)+強(qiáng)力錨索聯(lián)合支護(hù)方式，兩幫采用錨桿+托盤+菱形金屬網(wǎng)支護(hù)方式護(hù)幫。巷道支護(hù)斷面如圖4所示。

巷道開挖后的圍巖載荷或壓力由錨桿、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，下述支護(hù)強(qiáng)度校核時(shí)將按照一個(gè)支護(hù)循環(huán)內(nèi)錨桿、錨索對(duì)單位支護(hù)面積所施加的支護(hù)強(qiáng)度與3倍的理論計(jì)算值進(jìn)行比較。

則6#煤層工作面擬實(shí)施沿空留巷的巷道的巷內(nèi)支護(hù)方案的頂板錨索支護(hù)強(qiáng)度q頂為

式中，P索為頂板錨索的最大錨固力，kN；n1為一個(gè)支護(hù)循環(huán)內(nèi)頂板錨索的數(shù)量，根；W為巷道寬度，m；L為沿巷道軸向一個(gè)支護(hù)循環(huán)的長(zhǎng)度，m；qd為近似頂壓集度，kN/m2。

計(jì)算得出q頂=125 kN/m2＞3qd（110.25 kN/m2）。

6#煤層工作面擬實(shí)施沿空留巷的巷內(nèi)非采巷幫支護(hù)強(qiáng)度q幫為

式中，P桿為非采巷幫錨桿的最大錨固力，kN；n為每排支護(hù)巷幫一側(cè)錨桿的數(shù)量，根；H為巷道的高度，m；L’為沿巷道軸向巷幫支護(hù)的排距，m；e為作用在該巷道巷幫支護(hù)結(jié)構(gòu)物上的側(cè)壓力，kN/m2。

計(jì)算得出q幫=186.7 kN/m2＞3e（38.88 kN/m2）。

考慮該巷道頂板為較穩(wěn)定的泥巖、粉砂巖，故判斷提出的6#煤層工作面擬實(shí)施沿空留巷的巷內(nèi)支護(hù)方案能夠滿足安全使用要求。

4 經(jīng)濟(jì)效益

實(shí)施沿空留巷帶來的經(jīng)濟(jì)效益包括回采護(hù)巷煤柱和減少巷道掘進(jìn)等方面，本研究?jī)H以這2方面論證實(shí)施沿空留巷在經(jīng)濟(jì)效益方面的可行性。

（1）多采煤柱經(jīng)濟(jì)效益，6#煤層平均厚度為1.8 m，密度為1.4 t/m3，護(hù)巷煤柱按20 m考慮，則每米沿空留巷可多回收的煤炭資源為50.4 t。根據(jù)煤炭市場(chǎng)價(jià)格估算6#煤的利潤(rùn)約為200元/t，則實(shí)施沿空留巷多回收煤炭資源產(chǎn)生的利潤(rùn)為10 080元/m。

（2）少掘巷經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)施沿空留巷后，每個(gè)采煤工作面減少1條巷道掘進(jìn)，以4.5 m×3.0 m的矩形斷面巷道為例，掘進(jìn)成本約為6 000元/m。

（3）留巷材料成本。本項(xiàng)目沿空留巷的成本包括混凝土墻體材料成本及鋼筋材料成本2部分，分析計(jì)算得出構(gòu)筑巷旁墻體完成6#煤層沿空留巷的綜合材料成本為3 165.348元/m。

綜上3方面，實(shí)施沿空留巷可帶來的經(jīng)濟(jì)效益為12 914.652元/m，效益顯著。

5 結(jié) 語

針對(duì)祥升煤礦6#煤層工作面沿空留巷，本研究采用數(shù)值模擬方式分析6#煤層工作面開采后的圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，理論設(shè)計(jì)合理的支護(hù)方案并進(jìn)行校核，同時(shí)從礦井減少生產(chǎn)投入成本、增加經(jīng)濟(jì)效益等綜合角度，說明6#煤層工作面實(shí)施沿空留巷是可行的，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。