煤矿开拓大巷不同布置方案的对比分析

王旭杰

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司，山西 太原 030053）

我国具有丰富的地下煤炭储量，目前多以井下作业的方式进行开采，在开采过程中，矿井的开拓及巷道的布置对于煤矿的生产具有重要影响。巷道的布置方式不同，对于井下工程建设的施工成本及难度有直接的影响[1]，且不同的巷道布置方式，对于矿井煤层的开采量及作业安全性也会产生影响。在煤矿开采中，由于受煤层开采及地质构造影响，常对斜煤层进行开采。而在煤层开采过程中[2]，巷道的开拓布置（特别是开拓大巷的布置）要综合矿井的地质构造、地面建设条件及煤层赋存条件的少压煤量进行整体分析布置。根据开拓大巷的布置效果对斜煤层开采的煤矿开拓大巷布置方案进行比较分析[3]，从而保证矿井的开拓大巷布置效果最佳及煤矿开采的合理性。

1 开拓大巷不同布置方案的设计

以某斜煤层煤矿的开采为例，对开拓大巷的布置进行分析，煤层的平均分布倾角为42°，煤层的厚度为5～14 m 不等[4]，拟对煤层采用综采放顶煤的工艺形式进行开采。综放开采工作面沿着煤层的倾角方向进行布置，沿着煤层的方向推进，工作面长度设计为100 m。在开采过程中，将开拓大巷布置在稳定的岩层[5]，以保证开采过程的安全性，且要尽量少压煤，减少巷道煤柱的宽度，从而提高煤的产量。依据煤层的分布形式，设计了两种不同的开拓大巷布置方案。

方案一的开拓大巷布置方式如图1 所示，在沿着煤层的分布方向上，将带式输送机大巷布置在煤层顶板，辅助大巷布置在与带式输送机大巷间隔30 m位置处[6]，且位于煤层底部的岩层中，与煤层底板的垂直距离为17 m，巷道高度依据煤层的平均厚度进行设计，平均高度为10 m。

图1 开拓大巷的布置方案一示意图

方案二的开拓大巷布置方式如图2 所示，与方案一中布置在巷道的一上一下位置不同，将带式输送机大巷与辅助大巷均布置在倾斜煤层上方的岩层中[7]，带式输送机大巷与巷道顶板间的垂直距离为20 m，辅助大巷与带式输送机间的水平距离同样为30 m，巷道高度同样依据煤层的平均厚度进行设计，平均高度为10 m。

图2 开拓大巷的布置方案二示意图

2 开拓大巷不同布置方案的对比分析

2.1 综采工作面对开拓大巷煤柱宽度的影响计算

煤层开采过程中，预留的巷道煤柱可对开拓大巷进行支撑，以保证巷道的稳定性及安全性。随着煤层的开采，地质应力进行重新分布，采空区的边缘距离不断增加，将采空区附近的煤层看做弹性体[8]，则此时预留煤柱的应力随着开采距离的增加呈指数型分布状态，具体变化情况如下页图3 所示。从图3 中可以看出，随着开采过程的进行，工作面的煤层进行应力重构，形成不同的煤层应力分布区。当煤层处于弹塑性状态时[9]，则煤层的应力分布如图3 中2 处所示。通过对煤层应力的重新分布可知，开拓大巷的预留煤柱应布置在开采的弹性区，从而可以保证自身的承载能力，同时较小的应力状态可以减小预留煤柱的宽度，从而减小开拓大巷的压煤量。

图3 倾斜煤层开采时的应力分布

依据倾斜煤层开采时的应力分布，对开拓大巷预留煤柱的宽度进行计算。依据煤柱载荷的辅助面积理论，在对巷道掘进后[10]，煤柱承受的来自上覆岩层的载荷呈均匀分布的状态，载荷的大小为巷道宽度一半岩层的载荷值。因此，巷道进行掘进作业后，预留煤柱的承载值为[11]：

式中：p 为预留煤柱承受的载荷值，MN/m；a 为预留煤柱的宽度值，m；D 为开拓大巷的宽度值，m；γ 为巷道上覆岩层的密度值，MN/m3；H 为煤层开采的深度值，m。

由于煤柱所承受的载荷呈均匀分布的形式，则可以计算预留煤柱受到的平均应力值为：

式中：Sp为预留煤柱承受的平均应力值，MPa；k 为煤层开采时受到采动作用的影响系数，采动应力小于25 MPa 时，k 取2.5。

为保证开拓大巷的支撑稳定及安全性，预留煤柱的强度要满足一定的安全条件。预留煤柱的强度计算公式为[12]：

式中：σp为预留煤柱的强度，MPa；σc为预留煤柱单轴的抗压强度值，MPa；h 为预留煤柱的高度值，m；A、B 为计算常数值，A=0.678，B=0.322。

进行煤柱设计时，煤柱的强度要满足一定的安全条件，即安全系数应在1.3～2 之间。安全系数的计算方法为：

式中：F 为预留煤柱的安全系数值。

依据煤矿开拓大巷的设计方案，对预留煤柱的宽度进行计算，巷道的宽度为4.5 m，上覆岩层的平均密度为0.025 MN/m3，煤层的开采深度为765 m，预留煤柱单轴抗压强度为11 MPa，取煤柱的安全系数为2，则由此可计算出巷道预留煤柱的宽度为21.6 m。

考虑煤层的倾角对巷道煤柱宽度的影响作用，煤层的平均倾角为42°，则预留护巷煤柱宽度a'=21.06/cos42°=29.06 m。

由此，将倾斜煤层开采的煤柱宽度选定为30 m，则在方案一中带式输送机大巷两侧的预留煤柱宽度可取为30 m，以保证煤矿的安全开采。而在方案二中，由于带式输送机大巷布置在上覆岩层中，除受到煤层开采的影响作用外，还受到矿井自身上下山移动角的影响，于是对方案二中的预留煤柱宽度进行进一步分析。

2.2 矿井上下山移动角对开拓大巷煤柱宽度的影响计算

依据矿井的上下山移动角对开拓大巷的影响，对方案二中的预留煤柱宽度进行计算。矿井的上下山移动角对开拓大巷的影响如图4 所示，沿着煤层的倾斜方向，在采空区与带式输送机大巷间保留30 m的护巷煤柱，则此时下山移动角的影响线包含在护巷煤柱的范围之内，对开拓大巷的煤柱不构成影响。因此只对上山移动角的影响作用进行分析，从图4中可以看出，在方案二中，开拓大巷预留煤柱的宽度可以表示为：

式中：M 为开拓大巷预留煤柱的宽度，m；x2、x4、x6分别为图4 中所示的上山移动角的影响线对开拓大巷在倾斜煤层上的长度影响值，m。

图4 上下山移动角对方案二开拓大巷的影响示意图

由于煤层的倾角值为42°，上山移动角值为76°，煤层的倾角长度均为正值，则通过相关计算可以发现，方案二中开拓大巷预留煤柱的宽度要远大于方案一中的长度。基于此，再依据开拓巷道要尽量提高产煤量的要求，对比得出方案一的开拓大巷布置方式要优于方案二中的布置方式，同时可满足开拓大巷布置稳定的要求，因此，应优选方案一开拓大巷的布置方式进行倾斜煤层的开采。

3 结论

在对倾斜煤层进行开采时，开拓大巷的布置方式对煤矿的开采量及安全性具有重要的影响。对某倾斜煤层进行开采时，设计了两种不同的开拓大巷的布置方式，依据开拓大巷的应力分布，方案一的开拓大巷煤柱宽度计算值为30 m；由于方案二中的开拓大巷煤柱宽度受到上下山移动角的影响，对其煤柱宽度进行计算可知，方案二的煤矿宽度要远大于30 m。因此，为保证煤矿较高的产量，减少预留煤柱的压煤，应优先选择方案一中的开拓大巷布置方式进行开采。