祥升煤礦6#煤層沿空留巷可行性探討

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，容易實現(xiàn)圍巖控制［2-3］。進入新時代，山西煤炭企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展正向縱深推進，不管是各級行政管理部門，還是行業(yè)管理部門，都特別重視鼓勵科研工作者及現(xiàn)場工程技術人員，通過科技創(chuàng)新提高煤炭行業(yè)的技術水平，為煤炭行業(yè)健康發(fā)展保駕護航，實施沿空留巷具有良好的政策導向，既是國家戰(zhàn)略需要，也是山西轉(zhuǎn)型發(fā)展、爭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為研究背景，運用數(shù)值模擬手段分析6#煤層開采時的采場及回采巷道的應力分布，理論計算留巷支護參數(shù)，從技術、經(jīng)濟效益角度對6#煤層工作面沿空留巷可行性進行探討。

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。實體煤三采區(qū)6#煤層開采時不存在3#煤層采空區(qū)應力集中問題，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 煤層開采圍巖應力分布規(guī)律

2.1 模型建立

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

為了消除計算中可能出現(xiàn)的邊界效應，進一步考慮到網(wǎng)格劃分高精度的要求，所建立的模型應該具有足夠大的尺寸。本次FLAC3D數(shù)值計算模型的尺寸為148 m×200 m×80 m（長×寬×高），分別對應坐標系中的x、y、z軸方向。其中x軸方向為6#煤層工作面的傾向，y軸方向為6#煤層工作面的回采推進方向，z軸方向為巖層指向地表的方向。模型共劃分為285 600個網(wǎng)格，包含300 612個節(jié)點。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力，為6.25 MPa。數(shù)值計算采用的煤巖力學參數(shù)見表1，數(shù)值計算模型如圖2所示。

2.2 模擬結果分析

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)值模擬得到的采場圍巖應力云圖及塑性區(qū)破壞圖分別如圖3所示。

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6#煤層開采不僅會使其頂板巖層的垂直應力降低，同時上部3#煤層工作面頂板巖層的應力降低區(qū)范圍進一步向上擴大。6#煤層工作面回采巷道上方的頂板巖層受煤柱及巷內(nèi)支護結構的支撐作用，應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，未達到該巖層結構的極限抗拉強度前并不隨采隨垮落，可形成穩(wěn)定的承載結構，支撐著上覆泥巖層及3#煤層采空區(qū)已垮落矸石。當6#煤層工作面的回采范圍達到一定面積時，老頂粉砂巖層發(fā)生初次斷裂和周期斷裂，采場及回采巷道伴隨出現(xiàn)周期來壓現(xiàn)象。同時，上部3#煤層已破斷頂板巖層結構的破壞范圍進一步向上部擴展，并發(fā)生垮落失穩(wěn)，從而對6#煤層工作面采場來壓有一定影響，加劇了6#煤層工作面的來壓強度。6#煤層工作面回采巷道上方的頂板巖層受煤柱及巷內(nèi)支護結構的支撐作用，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構的穩(wěn)定。

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

（1）由于在采空區(qū)下開采，6#煤層開采時采場及回采巷道的應力分布規(guī)律與單一煤層開采時有明顯區(qū)別，工作面煤層整體處于應力降低區(qū)，但由于自身頂板巖層能夠形成穩(wěn)定的基本頂結構，工作面端部及回采巷道受本工作面采動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，本煤層工作面會出現(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)頂板巖層結構受6#煤層回采影響，破壞范圍進一步向上部擴展，并發(fā)生二次垮落失穩(wěn)。

3 支護設計與強度校核

3.1 巷旁墻體設計與強度校核

根據(jù)礦壓規(guī)律及墻體承載性能，設計堆噴構筑巷旁混凝土墻體的厚度為1.5 m，強度等級為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度的承載能力N為

式中，fc為混凝土的軸心抗壓強度設計值，N/mm2；φ為受壓構件的穩(wěn)定性系數(shù)；A為單位長度巷旁墻體的橫截面面積，m2。

計算得出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，應力集中系數(shù)為3，巷幫支護阻力為0.1 MPa，計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，大于采動影響造成的應力集中系數(shù)3，可以滿足留巷及復用期間的承載要求。

3.2 巷內(nèi)支護設計與強度校核

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。巷道掘進時，需預留出巷旁墻體的位置。根據(jù)沿空留巷方案設計，巷旁墻體的寬度為1.5 m。因此，巷道掘進寬度為留巷后巷道寬度與巷旁墻體厚度之和，即6#煤層工作面擬實施沿空留巷的巷道掘進斷面為6.0 m×3 m的矩形，掘進期間的支護方式為頂板采用錨桿+鋼帶+鋼筋網(wǎng)+強力錨索聯(lián)合支護方式，兩幫采用錨桿+托盤+菱形金屬網(wǎng)支護方式護幫。巷道支護斷面如圖4所示。

巷道開挖后的圍巖載荷或壓力由錨桿、錨索等支護結構承擔，下述支護強度校核時將按照一個支護循環(huán)內(nèi)錨桿、錨索對單位支護面積所施加的支護強度與3倍的理論計算值進行比較。

則6#煤層工作面擬實施沿空留巷的巷道的巷內(nèi)支護方案的頂板錨索支護強度q頂為

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

計算得出q頂=125 kN/m2＞3qd（110.25 kN/m2）。

6#煤層工作面擬實施沿空留巷的巷內(nèi)非采巷幫支護強度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的排距，m；e為作用在該巷道巷幫支護結構物上的側(cè)壓力，kN/m2。

計算得出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#煤層工作面擬實施沿空留巷的巷內(nèi)支護方案能夠滿足安全使用要求。

4 經(jīng)濟效益

實施沿空留巷帶來的經(jīng)濟效益包括回采護巷煤柱和減少巷道掘進等方面，本研究僅以這2方面論證實施沿空留巷在經(jīng)濟效益方面的可行性。

（1）多采煤柱經(jīng)濟效益，6#煤層平均厚度為1.8 m，密度為1.4 t/m3，護巷煤柱按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)煤炭市場價格估算6#煤的利潤約為200元/t，則實施沿空留巷多回收煤炭資源產(chǎn)生的利潤為10 080元/m。

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

（3）留巷材料成本。本項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，分析計算得出構筑巷旁墻體完成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，實施沿空留巷可帶來的經(jīng)濟效益為12 914.652元/m，效益顯著。

5 結 語

針對祥升煤礦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力分布規(guī)律，理論設計合理的支護方案并進行校核，同時從礦井減少生產(chǎn)投入成本、增加經(jīng)濟效益等綜合角度，說明6#煤層工作面實施沿空留巷是可行的，具有較好的應用價值。