探析工作面采高對側向頂板巷道的變形影響

王 炎

（王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 保德036600）

巷道對于煤礦的發(fā)展，貢獻巨大，巷道的出現(xiàn)和其重大作用引發(fā)人們給予其更多的關注。當前，無論是學術界，還是實踐界都在運用不同的方法探討巷道位置的設置以及保護柱寬度的具體設定，并沒有很多的人對工作面的采高予以充分的關注。工作面采高和巷道之間互為影響、互為制約，采高不但會影響到巷道的變形，巷道變形也必然制約采高，而采高受限的一個必然結果就是回采率的降低。本文首先闡釋了何為回采工作面、何為采高、何為巷道，進而探究了工作面采高對側向頂板巷道變形的影響。

1 回采工作面、采高、頂板與巷道

回采工作面，也被叫做采場，指的是開采礦產(chǎn)的過程中，直接開采礦物的空間，含回采的具體礦壁（煤壁）與安全開展煤礦開采工作的物理空間。通常煤層上方會附著巖層（可能是一層，也可能是幾層），這一巖層即被稱作頂板，也叫上覆巖層；而相對應的，在煤層下的則被稱作底板，所謂采高指的就是從頂板至底板的高度。圖1為工作面的具體布置方式。

圖1 工作面布置

現(xiàn)代煤礦在設定采高的時候，多設定其介于2～3m之間，但對于采高和巷道變形之間的關系沒有給予充分的關注，進而造成了資源的浪費和一系列安全問題。巷道是為提升煤炭的開采效率及運輸?shù)姆奖愀咝?，以及通風排水等功能，自地面往地下進行開掘的諸多通道，含硐室。巷道的開挖使得周邊應力全部集中在巷道的周邊，而在應力的集中化作用下，頂板巷道就會受到破壞，進而發(fā)生變形。圖2反映了巷道挖掘后，其周邊剪應力的具體分布狀況。

圖2 巷道周邊應力分布

2 工程案例

2013年，羅安超和賈咸豐通過數(shù)值模擬的方式研究探悉了工作面的不同采高對側向頂板巷道變形所產(chǎn)生的具體影響，本次同樣借鑒該工程作為研究的案例。

研究對象：平頂山天安媒業(yè)一礦區(qū)，該礦區(qū)的煤層工作面布設2個，分別為21210與31010工作面，和頂板相鄰的工作面中共有巷道3條（圖3）。

圖3 天安煤業(yè)一煤礦的工作面和巷道分布

為讓巷道保持更好的穩(wěn)定性，在21210與31010這兩個工作面間留設一頂板巷道，頂板巷道共長256m，這樣也可以對煤柱產(chǎn)生更好的保護作用。到2012年1月底的時候，已經(jīng)完成對21210工作面的回采?；夭赏瓿傻臅r候，對現(xiàn)場進行了全方位的監(jiān)測，結果表明巷道沒有出現(xiàn)非常明顯的變形，也沒有遭遇相關的破壞性的影響。完成對工作面21210的回采后，同一時間開始對工作面31010展開回采作業(yè)。工作面31010回采以前，對該回采作業(yè)可能產(chǎn)生的破壞性影響進行了預估，認為該回采作業(yè)會破壞輔助巷道，且破壞性會非常嚴重。當時，煤柱寬已明確，此時為了回采工作的高效和安全進行，也為了回采率得到更高的保證，必須要明確工作面31010的具體采高值。如何才能夠實現(xiàn)最優(yōu)的采高是本研究關注的重點和期望獲得的結論。

3 采高對巷道、巷道變形和側向頂板巷道變形的影響

巷道的穩(wěn)定性受制于多種不同的因素，巷道變形對于整個煤礦的穩(wěn)定性、安全性有著非常大的影響。有統(tǒng)計說明，在中國煤礦開采中，因為頂板造成的死亡占所有礦難死亡人數(shù)的40%以上。當前學術界對頂板受破壞機理的研究方法，可以概括為數(shù)值模擬與計算、力學分析以及地質(zhì)研究等等。這些研究從不同的層面探尋了頂板受到的具體破壞機制。本文運用理論回顧、現(xiàn)場分析相結合的方法，探尋采高對其產(chǎn)生的影響。

工作面采高是影響巷道結構穩(wěn)定的一個關鍵性的因素。表1是羅安超和賈咸豐根據(jù)數(shù)值模擬的方法，同時結合了天安煤業(yè)的實際情況獲得的。分析表1，可以看出：首先在整體上，伴隨著采高的不斷增加，應力系數(shù)，無論是垂直的，還是水平的，都是上升的；對應的變形量無論是在頂?shù)装宸矫妫€是在左右?guī)徒嵌壬?，也是增加的，也就是說采高增加直接造成了巷道變形的加大，采高和巷道變形之間存在著正向影響關系。第二點，在采高從1.8m增到2.8 m的條件下，頂?shù)装宓钠骄冃畏冗_到53.6%，最大變形幅度為64.9%；左右?guī)偷钠骄冃畏冗_到71.4%，最大變形幅度為66.7%。從2.8m增到3.8m的條件下，頂?shù)装宓钠骄冃畏冗_到13.6%，最大變形幅度為6.5%；左右?guī)偷钠骄冃畏冗_到33.3%，最大變形幅度為36.7%。從3.8m增到4.8m的條件下，頂?shù)装宓钠骄冃畏冗_到84.3%，最大變形幅度為95.9%；左右?guī)偷钠骄冃畏冗_到203%，最大變形幅度為276%。從4.8 m增到5.8m的條件下，頂?shù)装宓钠骄冃畏冗_到4.5%，最大變形幅度為18.2%；左右?guī)偷钠骄冃畏冗_到16.5%，最大變形幅度為5.2%。由此得出，對于工作面的采高而言，4.8m是其臨界值，其造成巷道變形幅度達到最大。

表1 采高與巷道變形的關系

4 結語

無論是數(shù)值模擬，還是工程實踐活動，都證實在采高一定的情況下，巷道承受的應力系數(shù)是確定的。在采高為1.8m和2.8m的條件下，巷道頂板和底板對應的垂直與水平應力集中之具體的系數(shù)值都在2.2以下；采高小幅度和小范圍的增加對于應力集中系數(shù)不會產(chǎn)生很大的影響，比如增加幅度在1m的時候，側向頂板巷道對應的應力集中系數(shù)和原本的采高條件下的應力集中系數(shù)相比，就沒有特別明顯的變動。即便采高由原來的1.8m增大到2.8 m，輔助巷也不會受到很大的影響，但是在采高達到一定的高度，具體為4.8m的條件下，巷道會受到非常明顯的影響，可以說對于采高而言，4.8m是其臨界值，這一點平煤股份的具體礦業(yè)回采實例給予了更為明顯的驗證。該礦業(yè)工作面的采高設定實踐工作再次證明，科學、合理、適度的采高變動有助于提升煤礦資源的開采效率，有助于提供更為安全的煤礦開采作業(yè)環(huán)境。

〔1〕羅安超，賈咸豐 .工作面采高對側向頂板巷道的變形影響研究〔J〕.中國煤炭，2013（12）.

〔2〕王 成，張 農(nóng)，李桂臣，等 .上行開采頂板不同區(qū)域巷道穩(wěn)定性控制原理〔J〕.中國礦業(yè)大學學報，2012（4）.

〔3〕王海成 .小錯距上下煤層反向同采對上工作面巷道的影響〔J〕.中國煤炭，2012（2）.

〔4〕張 明 .深部巷道變形與破壞影響因素及對策〔J〕.礦山壓力與頂板管理，2002（4）.

〔5〕高 平 .回風順槽巷道變形的機理分析及其治理〔J〕.山西煤炭，2012（11）.