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[摘要]提出对传统大采高工作面巷道布置进行改进，即将接续工作面的进风平巷布置在上一工作面的回风平巷下实现大采高错层位巷道布置，可以实现提高回采率，防治发火，有利于巷道的掘进与维护等功用。通过对某矿大采高错层位巷道布置采场围岩受力与巷道变形的力学过程进行数值模拟，分析了错层位巷道布置的可行性，对大采高工作面的高效性、安全生产具有一定的指导意义。
[关键词]大采高巷道布置错层位数值模拟
中图分类号：TP15 文献标识码：TP 文章编号：1009―914X（2013）31―0631―02
我国厚煤层储量丰富，煤层厚度大于3.5m的占43.17%，且均为主采煤层[1]。大采高综采技术自1978年引进我国以来，伴随大采高综采开采装备能力的提高，近年来，在神东、晋城、大同等矿区开采6m左右的厚煤层取得了成功，其效益已达到国际先进水平，大采高综采已成为我国厚煤层高效开采的重要发展趋势[2]。然而大采高工作面也存在留设区段煤柱、回采率低等缺点。20世纪末期，以提高回采率为目的发明并申请专利的厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法[3-4]可以实现无煤柱开采，在防火、瓦斯具有自身优势，并在西山、开滦、义马、峰峰、新汶等矿区，得到实验或推广应用[5]。对大采高工作面的巷道布置具有借鉴意义。
1 大采高工作面巷道布置优化对比
1.1工作面概况
某矿工作面所采二叠系山西组4#煤层，为光亮型低硫低灰主焦煤，容重为1.39t/m3，倾角2°～8°，平均6°；旧工作面煤层厚度1.57～3.45m，平均2.15m；现进入厚煤层区，煤层厚度为3.45-4.59m，平均为4.06m。煤层结构简单，稳定可采；煤的坚固性系数为1～1.5。4#煤层顶板为Ⅱ类Ⅲ级，中等稳定，顶底板岩性特征如表1所示。该矿矿井属高瓦斯矿井，瓦斯相对涌出量为23.22m3/t，绝对涌出量为70.26m3/min。老顶为泥岩平均厚度为5.93m，直接顶为粘土页岩，厚度0～0.6m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度1.5m，老底为泥岩，平均5.6m。
传统大采高工作面巷道布置，即段进回风巷沿顶板布置，在端头工作面逐渐抬升至区段平巷位置并形成三角煤损，下一区段与上一区段间留有区段煤柱。如图1示。
优化方案采用错层位巷道布置形式，即进风巷沿煤层底板，回风巷道沿煤层顶板。同时，距离回风巷道20m再掘一条瓦斯尾排巷，形成“一进两回”的通风系统。当形成接续工作面后，上一工作面的尾排巷处于工作面中间，再掘出接续工作面的尾排巷后，形成“两进两回”的通风系统。如图2示。
1-区段进风巷；2-区段回风巷；3-下区段进风巷；4-区段煤柱；5-端头损失的三角底煤
图1传统大采高开采巷道布置系统示意图
1-首采面区段进风巷；2-首采面区段回风巷；3-三角煤损；4-首采面尾排巷；5-接续面区段进风巷；6-接续面区段回风巷；7-接续面尾排巷
图2厚煤层错层位巷道布置系统示意图
错层位巷道布置与传统大采高开采对比，具有如下4个特点：
（1）区段煤柱损失少
在图1中，接续工作面区段进风巷5上方是上一工作面已垮落的采空区，煤损为三角底煤3，此部分煤损是通过溜槽以3°角的变化率逐节抬升而形成。煤损计算如图3所示。长度为10.304m，面积为7.647m2，高度为1.871m。
图3错层位煤损计算图
而在传统的大采高巷道布置方法中，如图2所示，根据经验，采动后护巷煤柱保持稳定的基本条件是B≥2M+x。B为煤柱宽度，M为平巷高度，x为煤柱两侧所形成的塑性区变形宽度。在生产实践中，其中，一侧的塑性区变化范围为3～20m，一般为5～12m。应力降低区宽度的变化范围为2～7m，一般为3～5m。
为了具有说服力，两侧塑性区总宽度按5m计算，再加上平巷高度（2.5m）的两倍，煤柱宽度取为10m。则传统大采高煤损面积为10*4.06+2*7.647=55.894。显然，错层位巷道布置法大大减少了区段煤柱损失。
（2）巷道掘进与维护
通常大采高开采巷道布置系统需要在煤层顶板下掘进两条区段平巷，两巷由于受到工作面采动超前压力影响，变形量较大，底鼓严重。而采用错层位巷道布置系统可以使两条区段平巷分别布置在采空区金属网下和煤层顶板下，这样保证了一条巷道始终在顶板下掘进，而一条巷道始终在采空区已稳定的应力降低区内掘进。在此区域内布置的平巷两帮变形量很小，底鼓现象消失，巷道的掘进维护成本显著降低。
（3）减少自然发火危险
在图1中，系统中巷道相邻的煤柱也在顶板压力下容易破坏产生裂隙，当下一工作面回采过程中很容易漏风，引发邻近采空区遗留浮煤的自燃，且煤柱在在顶板压力下容易片帮，产生的浮煤成为自然发火的隐患。在图2的系统中，区段进风巷左侧是完整的三角煤，并且位于应力降低区，上面与煤层顶板无直接联系，承压小，不易破坏。从巷道一侧的自然发火来看，图1系统的残留浮煤较图2系统大大减少，发火几率较低。
2 工作面数值模拟分析
为了全面、系统地反映错层位大采高综采的采场围岩受力与巷道变形的力学过程，以具体工作面的开采技术条件为背景，建立FLAC3D三维计算模型进行数值模拟。模型沿走向长 200m，倾向长200m，模型高度80m。三维模型共划分为72900个三维单元，共78650个节点。模拟计算采用的岩体力学参数见表2。
表2计算采用的力学参数
岩石名称 容重d（kg/m3） 弹性模量E（MPa） 泊松比μ 内聚力c（MPa） 摩擦角φ（°） 抗拉强度σ（MPa）
顶板 砂质泥岩 2460 1.9×104 0.26 2.75 37 1.84
泥岩 2773 3.5×104 0.24 3.2 42 1.29
煤层 4#煤 1350 0.54×104 0.31 1.27 32 0.27
底板 砂质泥岩 2460 1.9×104 0.26 2.75 37 1.84
泥岩 2773 3.5×104 0.24 3.2 42 1.29
（
1）首采工作面进回风巷道数值模拟计算结果及分析
图4首采工作回风巷道应力分布
图5首采工作面回风巷道位移分布
如图4，由于巷道顶部为岩石，所以造成应力向两帮煤体转移。在超前支承压力影响下的回采巷道最大应力集中在巷道靠近工作面一侧巷帮处。图5所示，巷道周边最大位移出现在巷道靠采空区一侧的拐角处。由图可知回风平巷下部要比其右侧的应力和位移要小，与错层位巷道布置的理念相吻合。
图6接续工作面进风平巷周边应力分布
图7接续工作面进风平巷周边位移分布
由图6和7中可以看出，进风巷采空区侧应力和位移较小，巷道掘进、维护容易；由于受到采空区残余支承应力与工作面超前支承应力的双重影响，进风巷工作面侧的实体煤应力和位移较大，有利于端头顶煤的冒放进而提高了回采率。
3 结论
通过分析了某具体矿矿的地质条件及煤层赋存情况，认为该矿应用错层位巷道布置采全高采煤法的巷道布置优化后，形成错层位大采高开采独特实用技术，可以显著提高工作面回采率、有利于维护巷道的掘进与维护，有效防治自然发火、解决巷道底鼓及解决瓦斯排放等难题。
参考文献
[1] 王志强.厚煤层错层位互相搭接工作面矿压显现规律研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2009.
[2] 袁永，屠世浩，王瑛等.大采高综采技术的关键问题与对策探讨[J].煤炭安全技术，2007.2：4-8
[3] 赵景礼.厚煤层全高开采新论[M].煤炭工业出版社，2004.
[4] 赵景礼.厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法[P].中国专利ZL98100544.6，2002-01-23.
[5] 范新民，赵景礼，王玉宝等.错层位巷道布置采全厚采煤法在西山矿区的应用研究[M].煤炭工业出版社，2013.
[5] 王艳斌，赵景礼.大采高综采工作面应用错层位巷道布置法的探讨[J].山东煤炭科技，2011（5）：140-141.
作者简介
李世超（1987-），男，，汉族，中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，采矿工程专业，在读硕士生，厚煤层开采，放顶煤开采，错层位巷道布置。
[关键词]大采高巷道布置错层位数值模拟
中图分类号：TP15 文献标识码：TP 文章编号：1009―914X（2013）31―0631―02
我国厚煤层储量丰富，煤层厚度大于3.5m的占43.17%，且均为主采煤层[1]。大采高综采技术自1978年引进我国以来，伴随大采高综采开采装备能力的提高，近年来，在神东、晋城、大同等矿区开采6m左右的厚煤层取得了成功，其效益已达到国际先进水平，大采高综采已成为我国厚煤层高效开采的重要发展趋势[2]。然而大采高工作面也存在留设区段煤柱、回采率低等缺点。20世纪末期，以提高回采率为目的发明并申请专利的厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法[3-4]可以实现无煤柱开采，在防火、瓦斯具有自身优势，并在西山、开滦、义马、峰峰、新汶等矿区，得到实验或推广应用[5]。对大采高工作面的巷道布置具有借鉴意义。
1 大采高工作面巷道布置优化对比
1.1工作面概况
某矿工作面所采二叠系山西组4#煤层，为光亮型低硫低灰主焦煤，容重为1.39t/m3，倾角2°～8°，平均6°；旧工作面煤层厚度1.57～3.45m，平均2.15m；现进入厚煤层区，煤层厚度为3.45-4.59m，平均为4.06m。煤层结构简单，稳定可采；煤的坚固性系数为1～1.5。4#煤层顶板为Ⅱ类Ⅲ级，中等稳定，顶底板岩性特征如表1所示。该矿矿井属高瓦斯矿井，瓦斯相对涌出量为23.22m3/t，绝对涌出量为70.26m3/min。老顶为泥岩平均厚度为5.93m，直接顶为粘土页岩，厚度0～0.6m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度1.5m，老底为泥岩，平均5.6m。
传统大采高工作面巷道布置，即段进回风巷沿顶板布置，在端头工作面逐渐抬升至区段平巷位置并形成三角煤损，下一区段与上一区段间留有区段煤柱。如图1示。
优化方案采用错层位巷道布置形式，即进风巷沿煤层底板，回风巷道沿煤层顶板。同时，距离回风巷道20m再掘一条瓦斯尾排巷，形成“一进两回”的通风系统。当形成接续工作面后，上一工作面的尾排巷处于工作面中间，再掘出接续工作面的尾排巷后，形成“两进两回”的通风系统。如图2示。
1-区段进风巷；2-区段回风巷；3-下区段进风巷；4-区段煤柱；5-端头损失的三角底煤
图1传统大采高开采巷道布置系统示意图
1-首采面区段进风巷；2-首采面区段回风巷；3-三角煤损；4-首采面尾排巷；5-接续面区段进风巷；6-接续面区段回风巷；7-接续面尾排巷
图2厚煤层错层位巷道布置系统示意图
错层位巷道布置与传统大采高开采对比，具有如下4个特点：
（1）区段煤柱损失少
在图1中，接续工作面区段进风巷5上方是上一工作面已垮落的采空区，煤损为三角底煤3，此部分煤损是通过溜槽以3°角的变化率逐节抬升而形成。煤损计算如图3所示。长度为10.304m，面积为7.647m2，高度为1.871m。
图3错层位煤损计算图
而在传统的大采高巷道布置方法中，如图2所示，根据经验，采动后护巷煤柱保持稳定的基本条件是B≥2M+x。B为煤柱宽度，M为平巷高度，x为煤柱两侧所形成的塑性区变形宽度。在生产实践中，其中，一侧的塑性区变化范围为3～20m，一般为5～12m。应力降低区宽度的变化范围为2～7m，一般为3～5m。
为了具有说服力，两侧塑性区总宽度按5m计算，再加上平巷高度（2.5m）的两倍，煤柱宽度取为10m。则传统大采高煤损面积为10*4.06+2*7.647=55.894。显然，错层位巷道布置法大大减少了区段煤柱损失。
（2）巷道掘进与维护
通常大采高开采巷道布置系统需要在煤层顶板下掘进两条区段平巷，两巷由于受到工作面采动超前压力影响，变形量较大，底鼓严重。而采用错层位巷道布置系统可以使两条区段平巷分别布置在采空区金属网下和煤层顶板下，这样保证了一条巷道始终在顶板下掘进，而一条巷道始终在采空区已稳定的应力降低区内掘进。在此区域内布置的平巷两帮变形量很小，底鼓现象消失，巷道的掘进维护成本显著降低。
（3）减少自然发火危险
在图1中，系统中巷道相邻的煤柱也在顶板压力下容易破坏产生裂隙，当下一工作面回采过程中很容易漏风，引发邻近采空区遗留浮煤的自燃，且煤柱在在顶板压力下容易片帮，产生的浮煤成为自然发火的隐患。在图2的系统中，区段进风巷左侧是完整的三角煤，并且位于应力降低区，上面与煤层顶板无直接联系，承压小，不易破坏。从巷道一侧的自然发火来看，图1系统的残留浮煤较图2系统大大减少，发火几率较低。
2 工作面数值模拟分析
为了全面、系统地反映错层位大采高综采的采场围岩受力与巷道变形的力学过程，以具体工作面的开采技术条件为背景，建立FLAC3D三维计算模型进行数值模拟。模型沿走向长 200m，倾向长200m，模型高度80m。三维模型共划分为72900个三维单元，共78650个节点。模拟计算采用的岩体力学参数见表2。
表2计算采用的力学参数
岩石名称 容重d（kg/m3） 弹性模量E（MPa） 泊松比μ 内聚力c（MPa） 摩擦角φ（°） 抗拉强度σ（MPa）
顶板 砂质泥岩 2460 1.9×104 0.26 2.75 37 1.84
泥岩 2773 3.5×104 0.24 3.2 42 1.29
煤层 4#煤 1350 0.54×104 0.31 1.27 32 0.27
底板 砂质泥岩 2460 1.9×104 0.26 2.75 37 1.84
泥岩 2773 3.5×104 0.24 3.2 42 1.29
（
1）首采工作面进回风巷道数值模拟计算结果及分析
图4首采工作回风巷道应力分布
图5首采工作面回风巷道位移分布
如图4，由于巷道顶部为岩石，所以造成应力向两帮煤体转移。在超前支承压力影响下的回采巷道最大应力集中在巷道靠近工作面一侧巷帮处。图5所示，巷道周边最大位移出现在巷道靠采空区一侧的拐角处。由图可知回风平巷下部要比其右侧的应力和位移要小，与错层位巷道布置的理念相吻合。
图6接续工作面进风平巷周边应力分布
图7接续工作面进风平巷周边位移分布
由图6和7中可以看出，进风巷采空区侧应力和位移较小，巷道掘进、维护容易；由于受到采空区残余支承应力与工作面超前支承应力的双重影响，进风巷工作面侧的实体煤应力和位移较大，有利于端头顶煤的冒放进而提高了回采率。
3 结论
通过分析了某具体矿矿的地质条件及煤层赋存情况，认为该矿应用错层位巷道布置采全高采煤法的巷道布置优化后，形成错层位大采高开采独特实用技术，可以显著提高工作面回采率、有利于维护巷道的掘进与维护，有效防治自然发火、解决巷道底鼓及解决瓦斯排放等难题。
参考文献
[1] 王志强.厚煤层错层位互相搭接工作面矿压显现规律研究[D].北京：中国矿业大学（北京），2009.
[2] 袁永，屠世浩，王瑛等.大采高综采技术的关键问题与对策探讨[J].煤炭安全技术，2007.2：4-8
[3] 赵景礼.厚煤层全高开采新论[M].煤炭工业出版社，2004.
[4] 赵景礼.厚煤层错层位巷道布置采全厚采煤法[P].中国专利ZL98100544.6，2002-01-23.
[5] 范新民，赵景礼，王玉宝等.错层位巷道布置采全厚采煤法在西山矿区的应用研究[M].煤炭工业出版社，2013.
[5] 王艳斌，赵景礼.大采高综采工作面应用错层位巷道布置法的探讨[J].山东煤炭科技，2011（5）：140-141.
作者简介
李世超（1987-），男，，汉族，中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，采矿工程专业，在读硕士生，厚煤层开采，放顶煤开采，错层位巷道布置。