項斌斌

(山西潞安集團 蒲縣新良友煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041206)

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，煤炭行業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展、資源的充分利用及環(huán)境保護等成為了煤炭產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展亟需考慮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，煤炭回收率的進一步提高成為我國煤炭工業(yè)發(fā)展的主要方向。許多礦井通過減小煤柱寬度提高煤層采出率[1-2]，但在應(yīng)用期間對于煤柱的選擇存在主觀臆想性、盲目性，常出現(xiàn)由于煤柱寬度不合理，巷道變形嚴(yán)重、圍巖控制困難的問題。以新良友煤業(yè)11102軌道巷為背景，通過數(shù)值模擬、理論分析計算等方法確定煤柱的合理寬度，并通過礦壓監(jiān)測驗證煤柱寬度的合理性，實現(xiàn)在保證生產(chǎn)安全的前提下提高經(jīng)濟效益。

1 工程概況

山西潞安集團蒲縣新良友煤業(yè)有限公司位于蒲縣東部的喬家灣鄉(xiāng)盤地村一帶，行政區(qū)劃屬蒲縣喬家灣鄉(xiāng)管轄。井田位于呂梁山南麓，最高點位于井田西北邊界山梁上，標(biāo)高1 517.4 m，最低點位于東南邊界溝谷內(nèi)，標(biāo)高1 290 m，相對高差227.4 m.11102工作面地面位于工業(yè)廣場西北、陽坡村東北，南側(cè)為槐南路，地面為山丘溝谷地帶。11102工作面開采對象為太原組下段下部11#煤層，煤層賦存較穩(wěn)定，含1～2層夾矸，結(jié)構(gòu)較簡單，煤層結(jié)構(gòu)0.32(0.27)2.38，平均厚度2.97 m. 井下位于一采區(qū)3條大巷以西，上部為正在回采的11101工作面，11101運輸巷和11102軌道巷采用雙巷掘進，煤柱寬度為15 m，巷道沿11#煤層頂板掘進。11102工作面采掘布置見圖1. 11101工作面回采后，11102軌道巷失穩(wěn)破壞嚴(yán)重，已無法滿足正常使用要求，返修成本高，因此，設(shè)計在11102工作面內(nèi)臨近11102軌道巷再掘進一條軌道巷。

圖1 11102工作面采掘布置圖

2 小煤柱合理尺寸的確定

新良友煤業(yè)11102軌道巷已嚴(yán)重垮落，對于新掘巷道的位置選擇可根據(jù)留小煤柱沿空掘巷的相關(guān)理論進行分析，巷道和采空區(qū)間煤柱的承載力對于巷道圍巖的穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，因此煤柱寬度不宜過窄，且考慮到煤層資源利用率的問題，煤柱寬度也不宜過大。綜上可知，護巷煤柱的寬度接近其極限平衡條件下的區(qū)段煤柱寬度較為合理，其護巷煤柱寬度的計算模型見圖2.

圖2 煤柱寬度計算模型圖

依據(jù)極限平衡理論，煤柱寬度應(yīng)滿足[3]：

B≥x1+x2+x3

(1)

式中：

B—護巷煤柱最小寬度，m；

x1—采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)煤體破壞深度，m；

x3—巷道支護幫部錨桿長度，m；

x2—煤柱中部完整煤體的寬度，取(0.15～0.35) (x1+x3)；

式(1)中的x1計算公式如下：

(2)

式中：

m—工作面采高，m，取3.0；

k—應(yīng)力集中系數(shù)，考慮到新掘巷道距離11101工作面采空區(qū)具有一定的距離，因此應(yīng)力系數(shù)取1.5；

H—巷道埋深，m，取435；

Px—軌道巷舊巷幫部支護阻力，MPa，取0.4.

根據(jù)該礦《11102軌道巷圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試報告》，確定以下參數(shù)：A為側(cè)壓系數(shù)，為0.14；φ0為煤層內(nèi)摩擦角，為18°；γ為頂板巖層平均容重，為26.8 kN/m3；C0為煤體內(nèi)聚力，為1.2 MPa. 將參數(shù)代入式(2)得x1=3.56 m，巷內(nèi)支護錨桿長度為1.8 m，則煤柱中部完整煤體寬度x2=(0.15～0.35) (x1+x3)=0.804～1.876 m. 由此可知，11102工作面新掘軌道巷護巷煤柱最小寬度為6.164～7.236 m.

3 合理護巷煤柱寬度及可行性模擬研究

3.1 新掘軌道巷支護方案

11102工作面新掘軌道巷的支護方案類比原11102軌道巷的支護方案，采用矩形斷面，斷面尺寸寬4 500 mm×3 000 mm，掘進期間永久支護方式為錨網(wǎng)索+鋼筋梯子梁。主要支護參數(shù)：頂板錨桿采用桿體由d18 mm增大為d20 mm、長度為2 400 mm高強度螺紋鋼，間排距為800 mm×1 000 mm，每排6根均勻布置，靠近外側(cè)的2根錨桿向巷道外側(cè)傾斜10°；頂板錨索由d15.24 mm增大為d18.9 mm，錨索長度為6 000 mm，錨索間排距為2 000 mm×1 000 m. 每排兩根，垂直巷道頂板安裝，金屬網(wǎng)采用10#鉛絲焊制的經(jīng)緯網(wǎng)，鋼筋梯子梁采用d14 mm的圓鋼制成。兩幫錨桿桿體同樣為高強度螺紋鋼，規(guī)格為d18 mm×2 200 mm，間排距為800 mm×1 000 mm，靠近頂板的錨桿與水平方向呈10°，其余錨桿沿水平方向施工，金屬網(wǎng)和鋼筋梯子梁規(guī)格與頂板相同。

3.2 煤柱寬度數(shù)值模擬研究

采用FLAC3D數(shù)值計算軟件對新掘軌道巷護巷煤柱的穩(wěn)定性進行模擬研究[4-5]，模型總長度(工作面推進方向)為472 m，模型寬度(工作面長度方向)為300 m，模型高度(Z方向)為70 m，模型邊界條件：模型前后左右邊界水平位移受到約束，底面邊界為固定邊界，上部邊界施加11.25 MPa的垂直均布應(yīng)力。模擬步驟：首先進行11101工作面回采巷道和11102軌道巷的掘進，其次進行11101工作面的回采，然后在11102工作面內(nèi)進行新掘軌道巷的開挖。參考理論計算結(jié)果，設(shè)計護巷煤柱寬度為6～11 m，支護方式為錨網(wǎng)索支護，不同煤柱寬度條件下，巷道掘進期間圍巖塑性區(qū)分布見圖3.

由圖3可以看出，11101工作面回采后，11102軌道巷與采空區(qū)之間的煤柱基本均塑性破壞，隨著新掘軌道巷護巷煤柱寬度的增大，新掘軌道巷圍巖的塑性破壞范圍逐漸減小，護巷煤柱寬度為6 m、7 m時，護巷煤柱內(nèi)塑性區(qū)聯(lián)通，當(dāng)煤柱寬度為8 m及以上時，新掘軌道巷開挖后護巷煤柱內(nèi)存在一定寬度的完整煤巖體區(qū)域，煤柱寬度為8 m時，完整煤巖體寬度為1 m，煤柱寬度為9 m、10 m、11 m時，完整煤巖體寬度分別為2 m、3 m、5 m. 參考理論分析計算的結(jié)果，煤柱內(nèi)完整煤巖體的寬度應(yīng)為0.804～1.876 m，因此煤柱寬度為10 m及以上時，煤柱內(nèi)部彈性核區(qū)的寬度即滿足要求。綜合考慮可將煤柱寬度設(shè)計為10～11 m.

3.3 小煤柱護巷可行性分析

為驗證采用小煤柱護巷的可行性，在不同煤柱寬度條件下進行11102工作面的開挖，超前工作面10 m處巷道圍巖的塑性區(qū)分布見圖4. 由圖4可知，在11102工作面回采后，工作面前方回采巷道的圍巖塑性破壞區(qū)明顯增大，煤柱寬度越大，新掘軌道巷圍巖塑性破壞范圍愈小，煤柱寬度為10 m及以下時，護巷煤柱內(nèi)塑性破壞區(qū)貫通，煤柱寬度為11 m時，煤柱內(nèi)保有寬度為3 m的完整煤巖體區(qū)，預(yù)計此時軌道巷圍巖更為穩(wěn)定。為避免工作面前方回采巷道圍巖出現(xiàn)過大變形，需要煤柱內(nèi)部能夠保有一定寬度的彈性區(qū)，因此設(shè)計11102工作面新掘軌道巷護巷煤柱寬度為11 m.

圖3 不同煤柱條件下掘巷圍巖塑性區(qū)分布圖

圖4 不同煤柱條件下工作面回采塑性區(qū)分布圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果監(jiān)測

新良友煤業(yè)11102工作面內(nèi)錯11 m新掘軌道巷，為保證掘進施工期間安全，采用十字布點法監(jiān)測圍巖的位移情況，見圖5，巷道位移隨著與迎頭處距離的增大逐漸增大，并逐漸趨于平穩(wěn)，巷道垂直方向的變形主要表現(xiàn)為底板底鼓，底鼓量最大為56 mm，頂板下沉量最大為8.5 mm，頂?shù)装逑鄬σ平孔畲鬄?4.5 mm，巷道水平方向的位移主要表現(xiàn)為煤柱幫的內(nèi)移，兩幫累計移近量最大為81.5 mm. 綜上可知，巷道掘進期間，圍巖位移量很小，取得了良好的圍巖控制效果。

圖5 11102工作面新掘軌道巷圍巖位移曲線圖

5 結(jié) 論

為解決新良友煤業(yè)11102工作面軌道巷失穩(wěn)破壞嚴(yán)重的問題，設(shè)計在工作面內(nèi)新掘一條軌道巷，理論分析計算確定煤柱極限寬度為6.164～7.236 m，工程類比設(shè)計新掘巷道的支護參數(shù)，通過數(shù)值模擬驗證該方案的合理性并確定最佳的煤柱寬度為11 m. 掘巷期間，巷道圍巖整體位移量很小，所設(shè)計的護巷煤柱寬度及支護方案取得了良好的應(yīng)用效果，解決了11102工作面新掘軌道巷的支護問題。