新良友煤业新掘轨道巷位置的选择

项斌斌

(山西潞安集团 蒲县新良友煤业有限公司， 山西 临汾 041206)

随着我国能源结构的转型，煤炭行业的绿色可持续发展、资源的充分利用及环境保护等成为了煤炭产业稳步发展亟需考虑的关键环节，煤炭回收率的进一步提高成为我国煤炭工业发展的主要方向。许多矿井通过减小煤柱宽度提高煤层采出率[1-2]，但在应用期间对于煤柱的选择存在主观臆想性、盲目性，常出现由于煤柱宽度不合理，巷道变形严重、围岩控制困难的问题。以新良友煤业11102轨道巷为背景，通过数值模拟、理论分析计算等方法确定煤柱的合理宽度，并通过矿压监测验证煤柱宽度的合理性，实现在保证生产安全的前提下提高经济效益。

1 工程概况

山西潞安集团蒲县新良友煤业有限公司位于蒲县东部的乔家湾乡盘地村一带，行政区划属蒲县乔家湾乡管辖。井田位于吕梁山南麓，最高点位于井田西北边界山梁上，标高1 517.4 m，最低点位于东南边界沟谷内，标高1 290 m，相对高差227.4 m.11102工作面地面位于工业广场西北、阳坡村东北，南侧为槐南路，地面为山丘沟谷地带。11102工作面开采对象为太原组下段下部11#煤层，煤层赋存较稳定，含1～2层夹矸，结构较简单，煤层结构0.32(0.27)2.38，平均厚度2.97 m. 井下位于一采区3条大巷以西，上部为正在回采的11101工作面，11101运输巷和11102轨道巷采用双巷掘进，煤柱宽度为15 m，巷道沿11#煤层顶板掘进。11102工作面采掘布置见图1. 11101工作面回采后，11102轨道巷失稳破坏严重，已无法满足正常使用要求，返修成本高，因此，设计在11102工作面内临近11102轨道巷再掘进一条轨道巷。

图1 11102工作面采掘布置图

2 小煤柱合理尺寸的确定

新良友煤业11102轨道巷已严重垮落，对于新掘巷道的位置选择可根据留小煤柱沿空掘巷的相关理论进行分析，巷道和采空区间煤柱的承载力对于巷道围岩的稳定性非常关键，因此煤柱宽度不宜过窄，且考虑到煤层资源利用率的问题，煤柱宽度也不宜过大。综上可知，护巷煤柱的宽度接近其极限平衡条件下的区段煤柱宽度较为合理，其护巷煤柱宽度的计算模型见图2.

图2 煤柱宽度计算模型图

依据极限平衡理论，煤柱宽度应满足[3]：

B≥x1+x2+x3

(1)

式中：

B—护巷煤柱最小宽度，m；

x1—采空区侧煤柱内煤体破坏深度，m；

x3—巷道支护帮部锚杆长度，m；

x2—煤柱中部完整煤体的宽度，取(0.15～0.35) (x1+x3)；

式(1)中的x1计算公式如下：

(2)

式中：

m—工作面采高，m，取3.0；

k—应力集中系数，考虑到新掘巷道距离11101工作面采空区具有一定的距离，因此应力系数取1.5；

H—巷道埋深，m，取435；

Px—轨道巷旧巷帮部支护阻力，MPa，取0.4.

根据该矿《11102轨道巷围岩地质力学参数测试报告》，确定以下参数：A为侧压系数，为0.14；φ0为煤层内摩擦角，为18°；γ为顶板岩层平均容重，为26.8 kN/m3；C0为煤体内聚力，为1.2 MPa. 将参数代入式(2)得x1=3.56 m，巷内支护锚杆长度为1.8 m，则煤柱中部完整煤体宽度x2=(0.15～0.35) (x1+x3)=0.804～1.876 m. 由此可知，11102工作面新掘轨道巷护巷煤柱最小宽度为6.164～7.236 m.

3 合理护巷煤柱宽度及可行性模拟研究

3.1 新掘轨道巷支护方案

11102工作面新掘轨道巷的支护方案类比原11102轨道巷的支护方案，采用矩形断面，断面尺寸宽4 500 mm×3 000 mm，掘进期间永久支护方式为锚网索+钢筋梯子梁。主要支护参数：顶板锚杆采用杆体由d18 mm增大为d20 mm、长度为2 400 mm高强度螺纹钢，间排距为800 mm×1 000 mm，每排6根均匀布置，靠近外侧的2根锚杆向巷道外侧倾斜10°；顶板锚索由d15.24 mm增大为d18.9 mm，锚索长度为6 000 mm，锚索间排距为2 000 mm×1 000 m. 每排两根，垂直巷道顶板安装，金属网采用10#铅丝焊制的经纬网，钢筋梯子梁采用d14 mm的圆钢制成。两帮锚杆杆体同样为高强度螺纹钢，规格为d18 mm×2 200 mm，间排距为800 mm×1 000 mm，靠近顶板的锚杆与水平方向呈10°，其余锚杆沿水平方向施工，金属网和钢筋梯子梁规格与顶板相同。

3.2 煤柱宽度数值模拟研究

采用FLAC3D数值计算软件对新掘轨道巷护巷煤柱的稳定性进行模拟研究[4-5]，模型总长度(工作面推进方向)为472 m，模型宽度(工作面长度方向)为300 m，模型高度(Z方向)为70 m，模型边界条件：模型前后左右边界水平位移受到约束，底面边界为固定边界，上部边界施加11.25 MPa的垂直均布应力。模拟步骤：首先进行11101工作面回采巷道和11102轨道巷的掘进，其次进行11101工作面的回采，然后在11102工作面内进行新掘轨道巷的开挖。参考理论计算结果，设计护巷煤柱宽度为6～11 m，支护方式为锚网索支护，不同煤柱宽度条件下，巷道掘进期间围岩塑性区分布见图3.

由图3可以看出，11101工作面回采后，11102轨道巷与采空区之间的煤柱基本均塑性破坏，随着新掘轨道巷护巷煤柱宽度的增大，新掘轨道巷围岩的塑性破坏范围逐渐减小，护巷煤柱宽度为6 m、7 m时，护巷煤柱内塑性区联通，当煤柱宽度为8 m及以上时，新掘轨道巷开挖后护巷煤柱内存在一定宽度的完整煤岩体区域，煤柱宽度为8 m时，完整煤岩体宽度为1 m，煤柱宽度为9 m、10 m、11 m时，完整煤岩体宽度分别为2 m、3 m、5 m. 参考理论分析计算的结果，煤柱内完整煤岩体的宽度应为0.804～1.876 m，因此煤柱宽度为10 m及以上时，煤柱内部弹性核区的宽度即满足要求。综合考虑可将煤柱宽度设计为10～11 m.

3.3 小煤柱护巷可行性分析

为验证采用小煤柱护巷的可行性，在不同煤柱宽度条件下进行11102工作面的开挖，超前工作面10 m处巷道围岩的塑性区分布见图4. 由图4可知，在11102工作面回采后，工作面前方回采巷道的围岩塑性破坏区明显增大，煤柱宽度越大，新掘轨道巷围岩塑性破坏范围愈小，煤柱宽度为10 m及以下时，护巷煤柱内塑性破坏区贯通，煤柱宽度为11 m时，煤柱内保有宽度为3 m的完整煤岩体区，预计此时轨道巷围岩更为稳定。为避免工作面前方回采巷道围岩出现过大变形，需要煤柱内部能够保有一定宽度的弹性区，因此设计11102工作面新掘轨道巷护巷煤柱宽度为11 m.

图3 不同煤柱条件下掘巷围岩塑性区分布图

图4 不同煤柱条件下工作面回采塑性区分布图

4 现场应用效果监测

新良友煤业11102工作面内错11 m新掘轨道巷，为保证掘进施工期间安全，采用十字布点法监测围岩的位移情况，见图5，巷道位移随着与迎头处距离的增大逐渐增大，并逐渐趋于平稳，巷道垂直方向的变形主要表现为底板底鼓，底鼓量最大为56 mm，顶板下沉量最大为8.5 mm，顶底板相对移近量最大为64.5 mm，巷道水平方向的位移主要表现为煤柱帮的内移，两帮累计移近量最大为81.5 mm. 综上可知，巷道掘进期间，围岩位移量很小，取得了良好的围岩控制效果。

图5 11102工作面新掘轨道巷围岩位移曲线图

5 结 论

为解决新良友煤业11102工作面轨道巷失稳破坏严重的问题，设计在工作面内新掘一条轨道巷，理论分析计算确定煤柱极限宽度为6.164～7.236 m，工程类比设计新掘巷道的支护参数，通过数值模拟验证该方案的合理性并确定最佳的煤柱宽度为11 m. 掘巷期间，巷道围岩整体位移量很小，所设计的护巷煤柱宽度及支护方案取得了良好的应用效果，解决了11102工作面新掘轨道巷的支护问题。