薄煤層工作面順槽巷道在煤層中位置探究

范冬閣

（山西煤炭運銷集團蒲縣昊興塬煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200）

隨著礦井中厚煤層、厚煤層的殘存量逐漸減少，為保證對煤炭資源的充分回采，部分礦井開始由厚煤層向薄煤層轉(zhuǎn)采[1-2]，主采0.6～1.3 m 左右的煤層。為降低勞動強度，提高工作面機械化開采水平，山西煤炭運銷集團蒲縣昊興塬煤業(yè)以建設(shè)薄煤層智能化工作面為重點研發(fā)項目，考慮到工作面順槽位置對薄煤層工作面掘進、回采工藝以及掘設(shè)備尺寸選擇的影響，需對工作面順槽的具體層位位置進行相應(yīng)的研究，確定最優(yōu)開采技術(shù)工藝。

1 工程概況

昊興塬煤業(yè)目前回采2#煤層，2201 綜采工作面是一水平二采區(qū)首采面，為礦井第一個智能化工作面試驗點。2201 綜采工作面北側(cè)為2109 工作面采空區(qū)，南側(cè)為未開采煤層，西側(cè)為邊界保護煤柱。2#煤層平均厚度為0.8 m，傾角在3°～5°之間。煤層偽頂為碳質(zhì)泥巖，平均厚度為0.3 m；直接頂為泥巖，平均厚度為4 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度2.8 m；直接底為碳質(zhì)泥巖，平均厚度0.8 m；基本底為細粒砂巖，平均厚度為7.2 m。2201 薄煤層智能化工作面計劃采用110 工法無煤柱開采工藝，設(shè)計的2201 運輸順槽寬×高=4.8 m×3 m，回風(fēng)順槽寬×高=5.2 m×3 m。

2 工作面兩順槽的布置方式

選用EBZ-260H 型綜掘機進行半煤巖巷掘進，巷道掘進高度設(shè)計為3 m，工作面采高設(shè)計為1.3 m，需截割0.5 m 的巖石。煤層在巷道中的位置直接影響薄煤層智能化工作面回采工藝和端頭支護方式[3]，考慮到工作面上下出口設(shè)備的擺放和搭接問題，設(shè)計以下三種施工方案作為對2201 工作面兩順槽的布置方式。

（1）方案一：巷道沿煤層底板施工。向煤層上方截割巖石頂板2200 mm，向煤層截割800 mm。巷道沿煤層頂板施工示意如圖1 所示。

圖1 巷道沿煤層頂板施工圖

（2）方案二：巷道沿煤層頂板施工。向煤層下方截割巖石底板2200 mm，向煤層截割800 mm。巷道沿煤層底板施工示意如圖2 所示。

圖2 巷道沿煤層底板施工圖

（3）方案三：巷道沿煤層頂板0.5 m 處施工。向煤層上方截割巖石頂板500 mm，截割煤層800 mm，向煤層下方截割巖石底板1700 mm。巷道沿煤層頂板0.5 m 處施工示意如圖3 所示。

圖3 巷道沿煤層頂板0.5 m 處施工圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 巖體參數(shù)與模型的確定

對2201 工作面順槽圍巖進行三軸試驗分析，得出開挖巷道巖石參數(shù)如表1 所示。

計算模型選用摩爾-庫倫模型，建立模擬計算模型尺寸為50 m×20 m×30 m（長×寬×高），模型單元格基本長度為1 m，模型共有58 643 個計算單元與62 401 個節(jié)點。因為將巷道周圍區(qū)域作為重點分析研究對象，故在建立數(shù)值模型時，需對該區(qū)域單元進行細化處理[4]。模型建立后，分別對巷道沿煤層頂板位置施工、巷道沿煤層底板位置施工與巷道沿煤層頂板0.5 m 位置施工這3 種施工工藝進行模擬計算，以此確定巷道基本變形特征，得出最優(yōu)施工方案。

表1 巷道圍巖參數(shù)表

3.2 巷道沿煤層底板位置施工模擬分析

方案一模擬計算巷道塑性區(qū)云圖如圖4 所示。

圖4 方案一巷道塑性區(qū)應(yīng)力云圖

由圖4 分析可知，巷道沿煤層底板位置施工時，巷道主要受壓應(yīng)力影響，巷道兩幫的破壞范圍在1～2 m 之間，巷道頂板的破壞范圍在0.5～1.5 m 之間，巷道底板的破壞范圍在0.5～1 m 之間，巷道兩幫及頂?shù)装遄冃螄?yán)重。

3.3 巷道沿煤層頂板位置施工模擬分析

由圖5 分析可知，巷道沿煤層頂板位置施工時，巷道主要受壓應(yīng)力影響，巷道兩幫的破壞范圍在1～2 m 之間，巷道頂板的破壞范圍在0.5～1 m 之間，巷道底板的破壞范圍在0.5～1 m 之間。同方案一相比，巷道兩幫與巷道底板破壞情況基本相同，巷道頂板變形情況有所降低，塑性區(qū)范圍有所減小，圍巖穩(wěn)定性得到一定控制。

圖5 方案二巷道塑性區(qū)應(yīng)力云圖

3.4 巷道沿煤層頂板0.5 m 位置施工模擬分析

圖6 方案三巷道塑性區(qū)應(yīng)力云圖

由圖6 分析可知，巷道沿煤層頂板0.5 m 處施工時，巷道頂?shù)装迮c兩幫塑性區(qū)范圍較方案二有所減小。其中，巷道頂?shù)装迤茐姆秶€(wěn)定在0.5～1 m之間，巷道兩幫破壞范圍穩(wěn)定于0.8～1.2 m 之間。巷道頂?shù)装寮跋锏纼蓭妥冃蔚玫搅擞行У目刂疲灸軌驖M足生產(chǎn)要求。

4 方案確定

4.1 施工方案優(yōu)缺點比較

三種施工方案的施工特點比較如表2 所示。

表2 施工方案特點比較

4.2 圍巖穩(wěn)定性分析

由數(shù)值模擬分析可知，相對于方案一與方案二而言，施工方案三（巷道沿煤層頂板0.5 m 處施工）時，巷道頂?shù)装迮c巷道兩幫圍巖變形量較小，巷道頂?shù)装迤茐姆秶€(wěn)定在0.5～1 m 之間，巷道兩幫破壞范圍穩(wěn)定于0.8～1.2 m 之間，因此，方案三要優(yōu)于其他兩個方案。

綜上所述，通過對上述三種方案進行技術(shù)、經(jīng)濟比較，確定選用方案三作為最終施工方案。該方案確定巷道頂板層位位于煤層頂板上0.5 m 處，巷道掘進時割巖石為軟巖，工作面回采時割頂?shù)装鍘r石為軟巖，工作面施工效率較高。

5 總結(jié)

本文依據(jù)煤層頂?shù)装鍘r性特征對2201 工作面順槽位置進行分析、模擬，確定當(dāng)巷道沿煤層頂板0.5 m 位置處施工時，能夠保證回采工作面的行人高度，減少回采時割巖厚度，提高工作面效率，降低設(shè)備故障率，保證巷道圍巖體的穩(wěn)定性。該薄煤層順槽層位的確定方法及相關(guān)研究成果，可以為同類條件下的巷道布置提供借鑒。