新良友煤业新掘轨道巷位置的选择.pdf

第 5 期 山 西 焦 煤 科 技 No. 5 2020 年 5 月 Shanxi Coking Coal Science 小煤柱;合理尺寸;巷道支护;矿压监测 中图分类号TD822 . 3 文献标识码B 文章编号1672-0652202005-0027-04 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. 320. 272. 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 x 2 x 3 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 x 3; 式1中的 x1计算公式如下 x1 mA 2tanφ0 ln kγH C0 tanφ0 C0 tanφ0 Px A 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 x20. 150. 35 x1 x3 0. 8041. 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. 1647. 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 mm3 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 mm1 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 mm1 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 mm1 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 611 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. 8041. 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 82山 西 焦 煤 科 技2020 年第 5 期 图 3 不同煤柱条件下掘巷围岩塑性区分布图 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 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。 922020 年第 5 期项斌斌新良友煤业新掘轨道巷位置的选择 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。 参 考 文 献 [1] 史爱国,刘会景,罗恩祥. 基于采空区模拟的错层位外错式巷道位置选择研究[J]. 煤炭工程,2019928-32. [2] 戴 晨. 恒昇煤业窄煤柱回采巷道变形破坏特征与支护优化技术研究[J]. 煤炭工程,2019,51970-73. [3] 白文勇,徐青云,李永明,等. 大采高双巷掘进巷间煤柱合理宽度研究[J]. 煤矿安全,2019,5010212-215. [4] 段泽瑞. 伊田矿 1101 工作面沿空掘巷围岩支护设计[J]. 中国矿山工程,2019,48527-29. [5] 高建平. 窄煤柱护巷及支护技术研究[J]. 煤矿现代化,2017565-67,70. Selection of Location of Newly Excavated Rail Roadway in Xinliangyou Coal Industry XIANG Binbin Abstract The 11102 rail roadway of Xinliangyou Coal Industry is seriously destabilized and damaged under the influence of the mining dynamic pressure near the working face. Therefore, new rail roadway away from the original location need to be tunneled in the design of the working face. Theoretical width of the coal pillar is 6. 1647. 236 m. Design the support parameters of the newly excavated roadway through engineering analogy. The numerical simulation study determines the reasonable width of the coal pillars to be 11 m. The field application results show that the de- signed support scheme and the width of the coal pillars are workable. Key words Gob-side entry retaining; Small coal pillars; Reasonable size; Roadway support; Mine pressure monitoring 03山 西 焦 煤 科 技2020 年第 5 期