祥升煤矿6#煤层沿空留巷可行性探讨

吕 龙

（山西寿阳潞阳祥升煤业有限公司）

沿空留巷已逐渐成为我国煤矿井工开采巷道布置的主要发展方向，也是煤炭绿色安全高效开采的要求［1］。沿空留巷是通过巷旁墙体支护的形式保留下来的，巷道位于减压带，因而巷道围岩承受的上覆载荷较小，容易实现围岩控制［2-3］。进入新时代，山西煤炭企业的转型发展正向纵深推进，不管是各级行政管理部门，还是行业管理部门，都特别重视鼓励科研工作者及现场工程技术人员，通过科技创新提高煤炭行业的技术水平，为煤炭行业健康发展保驾护航，实施沿空留巷具有良好的政策导向，既是国家战略需要，也是山西转型发展、争做能源革命排头兵的需要，意义重大［4-7］。

本研究以祥升煤矿拟在6#煤层工作面采用沿空留巷技术为研究背景，运用数值模拟手段分析6#煤层开采时的采场及回采巷道的应力分布，理论计算留巷支护参数，从技术、经济效益角度对6#煤层工作面沿空留巷可行性进行探讨。

1 工程背景

祥升煤业三采区范围的6#煤层厚度为0.80～2.31 m，平均1.80 m，属于中厚煤层。6#煤层上方为3#煤层采空区，下方为8#煤层。实体煤三采区6#煤层开采时不存在3#煤层采空区应力集中问题，处于3#煤层采空区下方的卸压区，如图1所示。3#煤层与6#煤层之间的层间距平均为9.61 m，层间岩性主要为砂质泥岩或泥岩、粉砂岩，属于近距离煤层。实施祥升煤业上组煤三采区6#煤层留巷的煤层赋存及工程地质条件可行。

2 煤层开采围岩应力分布规律

2.1 模型建立

运用FLAC3D数值模拟软件对3#煤层采空区下方的6#煤层回采工作面的矿压规律进行数值模拟分析，研究，6#与3#煤层间岩层结构的失稳及矿压特征。

为了消除计算中可能出现的边界效应，进一步考虑到网格划分高精度的要求，所建立的模型应该具有足够大的尺寸。本次FLAC3D数值计算模型的尺寸为148 m×200 m×80 m（长×宽×高），分别对应坐标系中的x、y、z轴方向。其中x轴方向为6#煤层工作面的倾向，y轴方向为6#煤层工作面的回采推进方向，z轴方向为岩层指向地表的方向。模型共划分为285 600个网格，包含300 612个节点。根据祥升煤业三采区6#煤层的地质情况，模型上表面载荷取上覆岩层重力引起的平均原岩应力，为6.25 MPa。数值计算采用的煤岩力学参数见表1，数值计算模型如图2所示。

2.2 模拟结果分析

近距离煤层开采由于煤层间距较小，且上部煤层已回采形成采空区，与单一煤层工作面的矿压规律具有显著的区别。数值模拟得到的采场围岩应力云图及塑性区破坏图分别如图3所示。

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6#煤层开采不仅会使其顶板岩层的垂直应力降低，同时上部3#煤层工作面顶板岩层的应力降低区范围进一步向上扩大。6#煤层工作面回采巷道上方的顶板岩层受煤柱及巷内支护结构的支撑作用，应力降低幅度小于工作面范围的顶板岩层。6#煤层开采后，工作面中部的直接顶泥岩发生拉伸破坏，随采随垮落；老顶粉砂岩层的拉伸破坏程度较小，未达到该岩层结构的极限抗拉强度前并不随采随垮落，可形成稳定的承载结构，支撑着上覆泥岩层及3#煤层采空区已垮落矸石。当6#煤层工作面的回采范围达到一定面积时，老顶粉砂岩层发生初次断裂和周期断裂，采场及回采巷道伴随出现周期来压现象。同时，上部3#煤层已破断顶板岩层结构的破坏范围进一步向上部扩展，并发生垮落失稳，从而对6#煤层工作面采场来压有一定影响，加剧了6#煤层工作面的来压强度。6#煤层工作面回采巷道上方的顶板岩层受煤柱及巷内支护结构的支撑作用，回采巷道上方的顶板岩层破坏程度较小，能保持沿空巷道围岩小结构的稳定。

综合上述分析，6#煤层开采时的采场及回采巷道的应力分布具有如下规律。

（1）由于在采空区下开采，6#煤层开采时采场及回采巷道的应力分布规律与单一煤层开采时有明显区别，工作面煤层整体处于应力降低区，但由于自身顶板岩层能够形成稳定的基本顶结构，工作面端部及回采巷道受本工作面采动影响造成的超前支撑压力较大。

（2）随着6#煤层工作面回采推进，本煤层工作面会出现初次来压及周期来压现象，来压程度较单一煤层开采小。上部3#煤层已垮落稳定的采空区顶板岩层结构受6#煤层回采影响，破坏范围进一步向上部扩展，并发生二次垮落失稳。

3 支护设计与强度校核

3.1 巷旁墙体设计与强度校核

根据矿压规律及墙体承载性能，设计堆喷构筑巷旁混凝土墙体的厚度为1.5 m，强度等级为C30，墙体内竖直放置2层直径为6 mm、网格尺寸为100 mm×100 mm的钢筋网片，两层网片间隔1 m放置于墙体内部，网片规格为1.5 m×3.0 m；沿墙体高度用4根直径为20 mm、长度为1 m的的横向钢筋固定网片位置，横向固定钢筋的间距为1 m，排距为1 m。巷旁混凝土墙体单位长度的承载能力N为

式中，fc为混凝土的轴心抗压强度设计值，N/mm2；φ为受压构件的稳定性系数；A为单位长度巷旁墙体的横截面面积，m2。

计算得出N=19 208.475 kN。

以祥升煤业三采区6#煤层工作面宽度为200 m，煤层埋深250 m，采高1.8 m，每天推进5 m，周期来压步距参考6202工作面回采规程取20 m；沿空留巷尺寸为4.5 m×3.0 m的矩形断面，直接顶为4.3 m的泥岩、老顶为4.06 m的粉砂岩，上覆岩层的平均密度为2 500 kg/m3，侧压系数为0.3，应力集中系数为3，巷帮支护阻力为0.1 MPa，计算得出顶板岩层施加到巷旁墙体上的垂直载荷FN=4 445 kN。

理论计算得到堆喷形成厚度为1.5 m混凝土巷旁墙体的承载能力为19 208.475 kN，是垂直载荷FN的4.3倍，即巷旁墙体的承载安全系数为4.3，大于采动影响造成的应力集中系数3，可以满足留巷及复用期间的承载要求。

3.2 巷内支护设计与强度校核

祥升煤业6#煤层工作面回采巷道断面为4.5 m×3 m的矩形，为了有利于巷道围岩控制，巷道沿6#煤层顶板掘进。巷道掘进时，需预留出巷旁墙体的位置。根据沿空留巷方案设计，巷旁墙体的宽度为1.5 m。因此，巷道掘进宽度为留巷后巷道宽度与巷旁墙体厚度之和，即6#煤层工作面拟实施沿空留巷的巷道掘进断面为6.0 m×3 m的矩形，掘进期间的支护方式为顶板采用锚杆+钢带+钢筋网+强力锚索联合支护方式，两帮采用锚杆+托盘+菱形金属网支护方式护帮。巷道支护断面如图4所示。

巷道开挖后的围岩载荷或压力由锚杆、锚索等支护结构承担，下述支护强度校核时将按照一个支护循环内锚杆、锚索对单位支护面积所施加的支护强度与3倍的理论计算值进行比较。

则6#煤层工作面拟实施沿空留巷的巷道的巷内支护方案的顶板锚索支护强度q顶为

式中，P索为顶板锚索的最大锚固力，kN；n1为一个支护循环内顶板锚索的数量，根；W为巷道宽度，m；L为沿巷道轴向一个支护循环的长度，m；qd为近似顶压集度，kN/m2。

计算得出q顶=125 kN/m2＞3qd（110.25 kN/m2）。

6#煤层工作面拟实施沿空留巷的巷内非采巷帮支护强度q帮为

式中，P杆为非采巷帮锚杆的最大锚固力，kN；n为每排支护巷帮一侧锚杆的数量，根；H为巷道的高度，m；L’为沿巷道轴向巷帮支护的排距，m；e为作用在该巷道巷帮支护结构物上的侧压力，kN/m2。

计算得出q帮=186.7 kN/m2＞3e（38.88 kN/m2）。

考虑该巷道顶板为较稳定的泥岩、粉砂岩，故判断提出的6#煤层工作面拟实施沿空留巷的巷内支护方案能够满足安全使用要求。

4 经济效益

实施沿空留巷带来的经济效益包括回采护巷煤柱和减少巷道掘进等方面，本研究仅以这2方面论证实施沿空留巷在经济效益方面的可行性。

（1）多采煤柱经济效益，6#煤层平均厚度为1.8 m，密度为1.4 t/m3，护巷煤柱按20 m考虑，则每米沿空留巷可多回收的煤炭资源为50.4 t。根据煤炭市场价格估算6#煤的利润约为200元/t，则实施沿空留巷多回收煤炭资源产生的利润为10 080元/m。

（2）少掘巷经济效益。实施沿空留巷后，每个采煤工作面减少1条巷道掘进，以4.5 m×3.0 m的矩形断面巷道为例，掘进成本约为6 000元/m。

（3）留巷材料成本。本项目沿空留巷的成本包括混凝土墙体材料成本及钢筋材料成本2部分，分析计算得出构筑巷旁墙体完成6#煤层沿空留巷的综合材料成本为3 165.348元/m。

综上3方面，实施沿空留巷可带来的经济效益为12 914.652元/m，效益显著。

5 结 语

针对祥升煤矿6#煤层工作面沿空留巷，本研究采用数值模拟方式分析6#煤层工作面开采后的围岩应力分布规律，理论设计合理的支护方案并进行校核，同时从矿井减少生产投入成本、增加经济效益等综合角度，说明6#煤层工作面实施沿空留巷是可行的，具有较好的应用价值。