预掘回撤通道适用合理采深及其让压位置确定——以陕蒙深部煤矿为例

舒凑先， 曹志辰

(东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013)

在我国陕西神东和榆神等地区，千万吨级大型矿井普遍采用预掘单(双)通道快速回撤方法，从而降低回撤期间采空区发生自燃风险概率，实现工作面的快速接替，保证了矿井的高产高效，取得良好的经济效益(连向东等，2005；贺安民，2007；杨征等，2020；薛凯喜等，2020；沈金瑞等，2009；时建成，2019)。根据大柳塔矿和补连塔矿浅部矿井实践表明，当埋深大于250 m时，主回撤通道易出现片帮、冒顶和压架等问题(朱卫兵等，2015；舒凑先等，2018)。随着我国加大西部矿床向深部开采的力度，陕蒙深部煤矿如呼吉尔特、纳林河等矿区新开发了数十座采深超过550 m的千万吨级矿井(舒凑先，2018)。因此，预掘单(双)通道回撤技术如何适用深度和深部重型综采工作面快速回撤是该地区急需解决的问题。

关于实现工作面安全高效回撤，国内外众多学者从让压位置选择、剩余煤柱稳定性和保护煤柱等方面开展了广泛的研究。王晓振等(2012)采用理论分析和现场实测等方法，对让压开采的原理及适用性进行了研究，并指导了大柳塔矿和补连塔矿安全回撤；谷拴成等(2017，2015)建立末采阶段工作面剩余煤柱和保护煤柱荷载转移的力学模型，给出了2种煤柱载荷计算方法和煤柱合理宽度的确定方法；吕华文(2014)建立剩余煤柱力学分析模型,揭示了工作面剩余煤柱动态力学变化特征，并通过数值分析方法研究了末采期间回撤通道两侧煤体的支承压力演化规律；朱卫兵等(2015)采用FLAC3D数值软件分析了不同采深条件下调节巷交叉点围岩应力和位移分布，并基于煤体稳定和围岩变形提出了调节巷适用的极限埋深范围为165 m。张寅等(2021)、舒凑先等(2018)对于深部工作面采用预掘单(双)通道快速回撤技术的矿压显现和巷道控制进行了研究，并以地质开采条件为背景，基于防冲提出了预掘单(双)通道适用深度不应超过465 m，提出了长距离多通道快速回撤方法。综上可知，虽然学者对预掘单(双)通道快速回撤技术进行了大量研究，但是未提出不同矿井预掘单(双)通道适用深度。

鉴于此，笔者通过UDEC2D数值分析软件，研究不同采深下的末采段工作面支承压力演化规律，提出了预掘回撤通道适用合理采深方法，以及确定了停采让压位置，以期为深部重型综采面快速回撤提供理论依据。

1 不同采深下回撤通道支承压力演化

1.1 数值模拟软件与计算模型

为研究不同采深下回撤通道支承压力演化规律，利用UDEC2D数值计算软件进行研究，以呼吉尔特矿区A矿为例建立数值模型和设计开采方案。

(1)数值计算模型。该模型尺寸为300 m×130 m，如图1所示。模型左右侧为水平位移约束，底部采用垂直位移约束，上部施加应力边界条件，其大小由采深确定，埋藏深度每增加100 m，上覆岩层均布载荷应力增加2.5 MPa。

图1 数值模型和开挖方案

根据上覆岩层物理力学参数，确定模型中各岩层参数，见表1所示。

表1 各岩层参数

(2)破坏准则。模型计算采用Mohr-Coulomb准则(舒凑先等，2014)，该屈服准则为：

(1)

(2)

式中，c为黏聚力(MPa)，σ1为最大主应力(MPa)，σ3为最小主应力(MPa)，φ为内摩擦角(°)，ft为最大剪应力(MPa)。

(3)开采方案。本次数值分析总共分为8个步骤(图1)。首先开挖尺寸为5.0 m×5.0 m的①煤体形成回撤通道，然后距回撤通道100 m位置开始回采，开挖长度分别为20 m、20 m、20 m、20 m、10 m、5 m、3 m，对应的工作面距回撤通道为80 m、60 m、40 m、20 m、10 m、5 m和2 m，依次开挖②—⑧煤体。与此同时，对回撤通道两侧煤体应力进行监测。

1.2 数值计算结果及分析

(1)不同采深下回撤通道两侧煤体应力峰值分布情况。随着工作面向回撤通道推进，分别提取不同采深下工作面距回撤通道为80 m、60 m、40 m、20 m、10 m、5 m和2 m时回撤通道两侧煤体垂直应力峰值，如表2和图2所示。

表2 不同采深下回撤通道两侧煤柱支承压力峰值

从图2a可知，工作面回采过程中不同采深下回撤通道剩余煤体应力峰值表现明显不同：当采深小于100 m时，回撤通道剩余煤体应力峰值一直增加；当采深超过100 m后，回撤通道剩余煤体应力峰值先增大后减小，且随着采深的增大，应力峰值出现拐点的位置距回撤巷道越来越远，采深为200 m、300 m、400 m、500 m、600 m和700 m时应力峰值出现拐点位置分别为5 m、10 m、10 m、10 m、20 m和20 m。

图2 不同采深下回撤通道两侧煤柱支承压力峰值

图2b为工作面回采过程中不同采深下回撤通道外侧煤柱应力峰值曲线，呈现出不同采深下外侧煤体应力峰值随着工作面回采一直增加。

(2)不同采深下末采段工作面支承压力演化规律。为分析不同采深下末采段工作面支承压力演化规律，考虑100 m、400 m和700 m等3种埋深条件下，工作面距回撤通道为80 m、60 m、40 m、20 m、10 m、5 m和2 m时回撤通道煤体支承压力曲线(图3，4，5)。

根据回撤巷道是否受到工作面回采影响，末采阶段支承压力可分为2个阶段：①未受超前支承压力影响。当工作面距回撤通道较远(>20 m)时，随着工作面回采，回撤通道围岩应力变化较小；当工作面距回撤通道小于20 m时，回撤通道两侧应力迅速增加，且剩余煤柱应力峰值大于外侧煤柱，表明剩余煤柱对超前支承压力的运动具有阻碍作用，导致其应力集中程度高。②受超前支承压力影响。图3b、图4b和图5b显示出剩余煤柱从10 m到2 m时工作面超前支承压力的分布规律。当采深100 m时，工作面剩余煤柱应力集中程度一直比外侧煤柱大；当采深400 m，工作面距回撤通道5 m时，外侧煤柱应力集中程度比工作面剩余煤柱大；当采深700 m，工作面距回撤通道10 m时，外侧煤柱应力集中程度比剩余煤柱大。研究表明，随着采深的增大，工作面剩余煤柱承载能力提前降低，应力提前向外侧煤柱转移载荷。

图3 100 m采深下工作面支承压力曲线

图4 400 m采深下工作面支承压力曲线

图5 700 m采深下工作面支承压力曲线

2 基于煤柱失稳合理深度和停采让压位置确定

2.1 基于煤柱失稳预掘通道回撤方法适用合理深度

根据表2获得末采过程中不同采深工作面支承压力峰值的最大值，将不同采深下应力峰值进行拟合获得图6，可知煤体应力与埋深的关系为：

图6 不同采深下回撤通道两侧煤柱支承压力峰值

σ=0.061 7h-2.247 1

(3)

式中，h为煤层开采深度(m)，σ为工作面向回撤通道推进过程煤体所受应力(MPa)。

根据文献(于正兴等，2011；陈炎光等，1994；姜福兴等，2015)，一般认为当煤体所受应力σ大于煤体单轴抗压强度σc时，工作面与回撤通道之间煤体存在发生破坏风险；当σ/σc>1.5时，存在冲击危险失稳风险。因此，预掘通道快速回撤方法适用合理采深h合为：

(4)

2.2 基于煤柱失稳预掘通道回撤方法停采让压位置

为避免工作面贯通后出现来压对回撤工作造成影响，贯通前综采工作面一般采用加快或降低推采速度的方法改变基本顶断裂位置，保证工作面支架和煤体处于低应力水平。

图7为合理停采让压位置示意图，合理的停采让压位置L判定公式为(王新民，2020)：

图7 合理停采线位置选择

l1+l3≤L≤l1+l2+l3

(5)

式中，L为让压位置与停采线距离(m)，l1为来压影响区的宽度(m)，l2为预留安全距离(m)，l3为回撤工作面总宽度(m)。

随着采深的增大，停采位置不仅要考虑来压步距，还需考虑停采让压期间煤柱的稳定性。根据煤柱稳定性分析可知，当煤柱应力呈现出“单峰”时，煤柱多处于失稳状态。因此，为避免停采让压期间工作面和回撤通道煤柱失稳，深部停采让压位置应满足式(6)。

(6)

式中，lm为煤柱失稳最小宽度(m)。

经回归分析(图8)，煤柱失稳最小宽度lm与埋深h之间的关系如式(7)所示：

图8 煤柱失稳最小宽度与埋深关系

lm=0.03h-1

(7)

3 工程应用

3.1 案例1

A矿位于陕蒙深部煤矿呼吉尔特矿区，为该矿首采工作面，平均埋深为685 m，工作面宽度为330 m，煤层厚度为5 m，倾角为1°～3°，σc平均为17.6 MPa，属于典型的重型综采工作面。根据式(4)可知，该矿h合为464.3 m，因此该矿不适用于浅部矿区的预掘单(双)通道快速回撤方法。

为避免工作面与回撤通道贯通期间出现冲击地压，采用长距离多联巷快速回撤技术。将原有回撤通道布置于距离停采线81 m处，避免工作面回采支承压力影响，联络巷间距为100 m，如图9所示，目前该工作面实现了安全回采。

图9 长距离多联巷快速回撤技术巷道布置

3.2 案例2

B矿位于陕蒙深部煤矿纳林河矿区，其31102工作面为该矿第二个综采工作面，工作面宽度为241 m，走向长度为3 070 m，平均埋深为550 m，煤层平均厚度为5.5 m,倾角为0°～1°，σc为22.16 MPa。根据式(4)可知，该矿预掘回撤通道合理深度h合为575 m，大于工作面采深，未超过工作面临界深度，故该矿继续采用预掘双通道快速回撤方法。

为避免工作面回撤期间出现来压，保证支架和煤体处于低应力水平，该矿需选择合理停采让压位置，该矿末采阶段周期来压步距为15～20 m，l1为1.6～2.4 m，l3为8～10 m，根据式(7)可知，lm为15.5 m，因此，工作面距主回撤通道15.5 m处停采。目前该工作面已实现了安全回采。

4 结 论

(1)工作面剩余煤柱支承压力分布从“双峰”向“单峰”变化时，煤柱宽度随着采深增大而增大。如200 m、300 m、400 m、500 m、600 m和700 m等采深条件下从“双峰”变“单峰”时，煤柱宽度分别为5 m、10 m、10 m、10 m、20 m和20 m。

(2)随着采深的增大，工作面剩余煤柱承载能力提前降低，应力提前向外侧煤柱转移载荷。当采深为100 m时，工作面剩余煤柱应力集中程度比外侧煤柱大，当采深为400 m和700 m时，工作面距回撤通道分别为5 m和10 m时，外侧煤柱应力集中程度大于工作面剩余煤柱。

(3)基于煤柱失稳原则提出了预掘回撤通道适用合理采深方法，确定了不同采深下末采阶段工作面停采让压的宽度，为陕蒙深部煤矿的快速回撤提供借鉴。