跨采暗斜井工作面相关参数优化研究与实践

任兴云，郝兵元

(太原理工大学，山西 太原 030024)

在我国现有开采技术条件下，当井田内赋存多层可采煤层时，为了避免出现蹬空开采的现象并破坏煤层赋存结构的稳定性，一般采取下行开采顺序，即先回采上方煤层，再回采下方煤层[1，2]。向下方煤层延深布置开采系统时，有时会出现穿层暗斜井位于正在回采工作面下方，导致穿层暗斜井受采动影响的情况[3]，目前针对这一问题的解决方法是保守地划定大距离终采线，在穿层暗斜井上方留设宽保护煤柱[4]。这种布置方式虽然能够满足保护回采工作面下方穿层暗斜井的要求，但会因终采线划定距离较大而丢失大量宝贵的煤炭资源，与高采出率的要求相悖，不利于提高矿井经济效益。

针对目前穿层暗斜井位于正在回采工作面下方时，需要划定大距离终采线造成煤炭资源浪费严重的问题，需要对煤层开采造成的围岩应力分布和底板损伤状态进行分析，科学划定终采线位置，优化跨采工作面的布置方式，在保护穿层暗斜井安全稳定的前提下，尽可能多地采出煤炭资源。

1 工程概况

山西神州煤业有限责任公司现采的4#煤层资源已接近枯竭，目前正在以后退方式回采+750水平4#煤层的最后一个工作面，即4102工作面。4#煤层平均厚度1.8m，走向东北-西南，倾向东南，倾角0°～4°；煤层结构简单，坚固性系数1～2，原煤视(相对)密度1.36t/m3。4102工作面沿4#煤层倾向布置，标高731～763m，走向长度1230m，倾斜长度180m，采用综合机械化一次采全高采煤工艺，采高1.8m，回采循环进尺0.6m，采用全部垮落法处理采空区。

为满足采掘衔接和延长矿井服务年限，下方8#煤延深开采工程正在进行，8#煤与其上方4#煤层之间的平均垂直距离约60m。为了连接现有+750水平和下方8#煤开采水平，对现有行人进风斜井进行反向掘进延深，新掘行人进风斜井延深段属于开拓延深暗斜井，在该巷道内布置架空乘人装置用于8#煤开采行人、通风及安全通道。行人进风斜井延深段设计长度为544m，沿4#煤层与8#煤层之间的煤、岩层倾斜布置，倾角为14°，巷道上方为正在回采的4102工作面，行人进风斜井延深段与4102工作面采掘布置空间位置如图1所示。由图1可知，4102工作面回采滞后于行人进风斜井延深段掘进，行人进风斜井延深段掘进完成后会受到上部4102工作面回采影响。行人进风斜井延深段掘进断面为矩形，断面尺寸宽×高=4.2m×3.0m，采用“锚网索+混凝土喷层”联合支护技术进行支护，具体支护方案如图2所示。

图1 行人进风斜井延深段与4102工作面采掘布置空间位置

图2 行人进风斜井延深段支护断面图(mm)

4102工作面为神州煤矿4#煤层最后一个回采工作面，由于4#煤为优质主焦煤，为了尽可能多地采出4#煤，提高采出率和创造经济效益，需在保证行人进风斜井延深段安全稳定的前提下，优化4102工作面的布置方式和科学划定终采线位置。

2 煤层开采围岩应力分布与底板损伤状态分析

2.1 煤层开采围岩应力分布

上部煤层开采后，采空区顶板的垮落情况对工作面支承压力、煤柱和采空区底板的载荷分布有直接影响[5，6]。长壁工作面采空区周围的应力分布如图3所示。

图3 长壁工作面采场应力分布

2.1.1 煤壁的支承压力集度

将支承压力峰值位置到煤壁的距离和支承压力影响边界到煤壁的距离分别记为x1与x，并假设煤壁内的支承压力由峰值位置到其影响边界按照线性递减规律变化[7，8]。即在极限平衡区内由0增长到峰值，在弹性区内由峰值减小到原岩应力。则支承压力集度qp为：

对式(2)进行进一步整理得：

式中，γ为上覆岩层的容重，N/m3；H为开采深度，m；k为应力增高系数。

2.1.2 采空区底板的载荷集度

当长壁工作面回采推进一定距离时，采空区上方的岩层充分垮落而趋于稳定状态，距回采面较远的冒落矸石逐渐被压实。因此，采空区底板内的载荷集度qcp可按下式计算：

qcp=γ(H-M)

(3)

式中，M为采高，m。

2.2 煤层开采底板损伤状态分析

由岩石力学和弹塑性力学相关知识可知，上部煤层的开采方法不同会直接影响到位于其下部采掘空间顶板的整体力学环境，进而引发底板岩层的变形及破坏程度也不同[9-12]。

Ⅰ—主动极限区；Ⅱ—过渡区；Ⅲ—被动极限区

则如图4所示，综采工作面端部煤壁塑性区宽度x0为：

底板最大屈服破坏深度hm为：

采空区四周沿水平方向的屈服破坏长度r0为：

将以上数据代入式(4)—式(6)，分别计算出综采工作面端部煤壁塑性区宽度x0为6.83m，底板最大屈服破坏深度hm为13.1m，采空区四周沿水平方向的屈服破坏长度r0为7.4m。

3 穿层倾斜大巷上方回采工作面优化布置及实施效果分析

3.1 穿层倾斜大巷上方4102回采工作面优化布置

根据上述计算结果进行决策，行人进风斜井的顶板锚索长度l为6m，顶板锚索不能进入底板屈服破坏范围(顶板锚索必须锚固在稳定岩层中)[13，14]，行人斜井的倾斜角度θ=14°，则4102回采工作面停采缩短工作面的位置距离行人斜井延深段揭露4#煤层点(见煤点)之间的水平距离Lm为：

采取缩短工作面长度的布置方式[15]，当4102工作面回采位置距行人进风斜井见煤点之间的水平距离为76.4m时，缩短工作面长度。根据4102工作面与行人斜井延深段采掘布置平面图，缩短工作面的位置距离正在掘进行人进风斜井与已有巷道贯通点为124m。

根据计算结果，采空区四周沿水平方向的屈服破坏区长度r0为7.4m，以此作为留设行人进风斜井延深段与上方缩短后4102工作面之间水平距离的依据，考虑一定的安全因素，即留设的水平距离确定为8m，缩短后的工作面宽度为117.5m。

由于煤岩层交界附近围岩的整体稳定性及物理力学性能均较差，同时按照《采矿工程设计手册》中关于采区护巷煤柱留设的相关规定，缩短后4102工作面的终采线位置为行人斜井延深段揭露4#煤层点，即缩短后4102工作面终采线与避难硐室之间的保护煤柱尺寸为47.5m。缩短后的4102工作面布置及终采线位置如图5所示。

图5 缩短后4102工作面布置平面图

考虑煤岩层交界附近围岩的整体稳定性及物理力学性能较差，因此，现场行人进风斜井延深段揭露4#煤层范围及两端前后各10m，在采取正常锚网索喷支护的基础上，采取了按棚距0.5m架设工字钢棚的加强支护措施。

3.2 实施效果分析

神州煤业行人进风斜井延深段反向掘进延深与现有巷道贯通25d后，4102工作面回采推进至优化缩短位置，按照图5(a)中密闭墙的位置密闭4102工作面原回风巷道，并新开4102回风巷道。缩短后的4102工作面宽度为117.5m，回采长度为76.5m，按照4#煤层平均厚度1.8m、原煤相对密度1.36t/m3计算，实际多采出煤炭资源117.5×76.5×1.8×1.36≈2.2万t，为该矿创造了可观的经济效益，且有利于采掘衔接。

缩短后的4102工作面回采至设计终采线位置持续了约30d时间，在行人进风斜井延深段内沿巷道轴向每隔15m布置巷道表面位移观测站，采用十字布线法观测记录缩短后4102工作面回采期间及后续3个月时间行人进风斜井延深段顶底板及两帮的移近量。

矿压观测结果表明，行人进风斜井延深段采取锚网索喷正常支护和见煤点局部范围架设工字钢棚加强支护条件下，在上方4102工作面优化布置后回采期间及后续3个月的观测时间内，巷道顶底板及两帮围岩的移近量均小于10mm。因此，行人进风斜井延深段未受到优化布置后4102工作面回采及后续采空区覆岩移动的影响，处于安全稳定状态。

4 结 论

1)计算得出4102综采工作面端部煤壁塑性区宽度为6.83m，采空区四周沿水平方向的屈服破坏区长度为7.4m，以此作为留设行人进风斜井延深段与上方缩短后4102跨采工作面之间水平距离的依据，考虑一定的安全因素，即留设的水平距离为8m。

2)计算4102工作面底板的最大屈服破坏范围为13.1m，行人进风斜井的顶板锚索长度为6m，顶板锚索不能进入底板屈服破坏范围，则当4102工作面与下方行人进风斜井延深段之间的垂直距离为19.1m时，新掘4102回风巷道，缩短回采工作面长度至117.5m。

3)缩短后4102工作面的终采线位置为行人斜井延深段揭露4#煤层点，即缩短后4102工作面终采线与避难硐室之间的保护煤柱尺寸为47.5m，缩短后该工作面可回采推进76.5m，多采出约2.2t优质主焦煤资源。

4)现场矿压观测结果表明，行人进风斜井延深段未受到优化布置后4102工作面回采及后续采空区覆岩移动的影响，处于安全稳定状态。今后要继续监测行人斜井延深段在服务期间的矿压显现情况，进一步优化类似条件工作面的相关参数。