薄煤层工作面顺槽巷道在煤层中位置探究

范冬阁

（山西煤炭运销集团蒲县昊兴塬煤业有限公司，山西 蒲县 041200）

随着矿井中厚煤层、厚煤层的残存量逐渐减少，为保证对煤炭资源的充分回采，部分矿井开始由厚煤层向薄煤层转采[1-2]，主采0.6～1.3 m 左右的煤层。为降低劳动强度，提高工作面机械化开采水平，山西煤炭运销集团蒲县昊兴塬煤业以建设薄煤层智能化工作面为重点研发项目，考虑到工作面顺槽位置对薄煤层工作面掘进、回采工艺以及掘设备尺寸选择的影响，需对工作面顺槽的具体层位位置进行相应的研究，确定最优开采技术工艺。

1 工程概况

昊兴塬煤业目前回采2#煤层，2201 综采工作面是一水平二采区首采面，为矿井第一个智能化工作面试验点。2201 综采工作面北侧为2109 工作面采空区，南侧为未开采煤层，西侧为边界保护煤柱。2#煤层平均厚度为0.8 m，倾角在3°～5°之间。煤层伪顶为碳质泥岩，平均厚度为0.3 m；直接顶为泥岩，平均厚度为4 m；基本顶为粉砂岩，平均厚度2.8 m；直接底为碳质泥岩，平均厚度0.8 m；基本底为细粒砂岩，平均厚度为7.2 m。2201 薄煤层智能化工作面计划采用110 工法无煤柱开采工艺，设计的2201 运输顺槽宽×高=4.8 m×3 m，回风顺槽宽×高=5.2 m×3 m。

2 工作面两顺槽的布置方式

选用EBZ-260H 型综掘机进行半煤岩巷掘进，巷道掘进高度设计为3 m，工作面采高设计为1.3 m，需截割0.5 m 的岩石。煤层在巷道中的位置直接影响薄煤层智能化工作面回采工艺和端头支护方式[3]，考虑到工作面上下出口设备的摆放和搭接问题，设计以下三种施工方案作为对2201 工作面两顺槽的布置方式。

（1）方案一：巷道沿煤层底板施工。向煤层上方截割岩石顶板2200 mm，向煤层截割800 mm。巷道沿煤层顶板施工示意如图1 所示。

图1 巷道沿煤层顶板施工图

（2）方案二：巷道沿煤层顶板施工。向煤层下方截割岩石底板2200 mm，向煤层截割800 mm。巷道沿煤层底板施工示意如图2 所示。

图2 巷道沿煤层底板施工图

（3）方案三：巷道沿煤层顶板0.5 m 处施工。向煤层上方截割岩石顶板500 mm，截割煤层800 mm，向煤层下方截割岩石底板1700 mm。巷道沿煤层顶板0.5 m 处施工示意如图3 所示。

图3 巷道沿煤层顶板0.5 m 处施工图

3 数值模拟分析

3.1 岩体参数与模型的确定

对2201 工作面顺槽围岩进行三轴试验分析，得出开挖巷道岩石参数如表1 所示。

计算模型选用摩尔-库伦模型，建立模拟计算模型尺寸为50 m×20 m×30 m（长×宽×高），模型单元格基本长度为1 m，模型共有58 643 个计算单元与62 401 个节点。因为将巷道周围区域作为重点分析研究对象，故在建立数值模型时，需对该区域单元进行细化处理[4]。模型建立后，分别对巷道沿煤层顶板位置施工、巷道沿煤层底板位置施工与巷道沿煤层顶板0.5 m 位置施工这3 种施工工艺进行模拟计算，以此确定巷道基本变形特征，得出最优施工方案。

表1 巷道围岩参数表

3.2 巷道沿煤层底板位置施工模拟分析

方案一模拟计算巷道塑性区云图如图4 所示。

图4 方案一巷道塑性区应力云图

由图4 分析可知，巷道沿煤层底板位置施工时，巷道主要受压应力影响，巷道两帮的破坏范围在1～2 m 之间，巷道顶板的破坏范围在0.5～1.5 m 之间，巷道底板的破坏范围在0.5～1 m 之间，巷道两帮及顶底板变形严重。

3.3 巷道沿煤层顶板位置施工模拟分析

由图5 分析可知，巷道沿煤层顶板位置施工时，巷道主要受压应力影响，巷道两帮的破坏范围在1～2 m 之间，巷道顶板的破坏范围在0.5～1 m 之间，巷道底板的破坏范围在0.5～1 m 之间。同方案一相比，巷道两帮与巷道底板破坏情况基本相同，巷道顶板变形情况有所降低，塑性区范围有所减小，围岩稳定性得到一定控制。

图5 方案二巷道塑性区应力云图

3.4 巷道沿煤层顶板0.5 m 位置施工模拟分析

图6 方案三巷道塑性区应力云图

由图6 分析可知，巷道沿煤层顶板0.5 m 处施工时，巷道顶底板与两帮塑性区范围较方案二有所减小。其中，巷道顶底板破坏范围稳定在0.5～1 m之间，巷道两帮破坏范围稳定于0.8～1.2 m 之间。巷道顶底板及巷道两帮变形得到了有效的控制，基本能够满足生产要求。

4 方案确定

4.1 施工方案优缺点比较

三种施工方案的施工特点比较如表2 所示。

表2 施工方案特点比较

4.2 围岩稳定性分析

由数值模拟分析可知，相对于方案一与方案二而言，施工方案三（巷道沿煤层顶板0.5 m 处施工）时，巷道顶底板与巷道两帮围岩变形量较小，巷道顶底板破坏范围稳定在0.5～1 m 之间，巷道两帮破坏范围稳定于0.8～1.2 m 之间，因此，方案三要优于其他两个方案。

综上所述，通过对上述三种方案进行技术、经济比较，确定选用方案三作为最终施工方案。该方案确定巷道顶板层位位于煤层顶板上0.5 m 处，巷道掘进时割岩石为软岩，工作面回采时割顶底板岩石为软岩，工作面施工效率较高。

5 总结

本文依据煤层顶底板岩性特征对2201 工作面顺槽位置进行分析、模拟，确定当巷道沿煤层顶板0.5 m 位置处施工时，能够保证回采工作面的行人高度，减少回采时割岩厚度，提高工作面效率，降低设备故障率，保证巷道围岩体的稳定性。该薄煤层顺槽层位的确定方法及相关研究成果，可以为同类条件下的巷道布置提供借鉴。