合理區(qū)段煤柱尺寸與巷道支護技術(shù)研究

許李龍

（晉城煤業(yè)集團寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019）

寺河礦二號井1907工作面采用雙巷布置，在上區(qū)段運輸平巷和下區(qū)段回風平巷之間留設(shè)煤柱。在煤層開采的過程中，工作面的回風巷道先后經(jīng)受兩次煤層回采產(chǎn)生的采動影響。合理的煤柱尺寸可以防止巷道圍巖出現(xiàn)變形破壞，保證巷道的穩(wěn)定性。

1 工作面概況

寺河礦二號井1907工作面位于九煤層一水平1-1采區(qū)，平均埋深350m，走向長度860m，傾向長度160m，煤層厚度為3.2～4.0m，平均可采厚度為3.5m。切眼位于運輸下山以西780m。工作面沿煤層傾向布置，所有順槽沿煤層底板布置。

2 合理煤柱尺寸的理論分析

工作面回采使煤柱內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)重新分布。對于煤柱邊緣來說，受支承壓力影響，煤柱邊緣形成應(yīng)力集中區(qū)，其應(yīng)力大小數(shù)倍于原巖應(yīng)力γH，煤柱邊緣由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，其強度變低，煤柱邊緣受力影響產(chǎn)生破壞。隨著工作面逐漸向前回采，應(yīng)力集中區(qū)逐漸向煤柱深部轉(zhuǎn)移，支承應(yīng)力曲線成拋物線狀態(tài)。當支承應(yīng)力與煤柱所能承載應(yīng)力平衡時，煤柱不再受支承應(yīng)力影響，處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)。煤柱應(yīng)力區(qū)域分布示意圖如圖1所示。

圖1 煤柱支承應(yīng)力區(qū)域分布示意圖

綜采工作面回采后煤柱采準巷道一側(cè)也將成為采空區(qū)，由圖1可以看出，煤柱兩側(cè)塑性區(qū)的范圍基本相同，因此，可以近似x0=R，根據(jù)巖石力學極限平衡理論可以得出塑性區(qū)的范圍為：

式中：

K-應(yīng)力集中系數(shù)，一側(cè)采空取值2.5，兩側(cè)采空取值4。

P-煤柱的阻力，一般取值0；

M-采高，m；

H-采深，m；

C-煤柱內(nèi)粘聚力，一般取值0.45～0.75；

φ-內(nèi)摩擦角，°；

f-煤柱與頂?shù)装褰佑|摩擦系數(shù)，一般取值0.125；

ξ-三軸應(yīng)力系數(shù)，

因此，煤柱的寬度B為：

式中：

X1-錨桿深入煤柱的有效長度，取值6.0m；

X2-考慮煤柱穩(wěn)定時安全儲備，取值0.2（X0+X1）=2.0m。

依據(jù)寺河礦二號井1907工作面地質(zhì)條件以及相關(guān)參數(shù)，如表1所示，得出寺河礦二號井1907工作面煤柱合理寬度為12m。

表1 煤柱尺寸理論計算值

3 合理煤柱尺寸的數(shù)值模擬

3.1 不同寬度煤柱的數(shù)值模擬

根據(jù)1907工作面地質(zhì)條件以及相關(guān)參數(shù)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對工作面煤柱寬度6m、9m、12m、15m進行模擬研究。設(shè)定各巖層及弱結(jié)構(gòu)力學參數(shù)如表2所示。

表2 模型各巖層力學參數(shù)

在模型Y方向施加12.5MPa垂直載荷，得出不同煤柱寬度巷道支承壓力示意圖，如圖2所示。

由圖2可知，寺河礦二號井1907工作面煤柱寬度為6m，巷道所能承載的支承壓力最大12MPa；隨著煤柱寬度逐漸增大，巷道所能承載的支承壓力減小，當煤柱寬度為9m到12m時，其應(yīng)力值為10MPa；當煤柱寬度增大到12m，巷道所能承載的支承壓力最小，為9.18MPa。因此，寺河礦二號井1907工作面煤柱合理寬度為12m。

圖2 不同煤柱寬度巷道應(yīng)力變化示意圖

3.2 不同支護方式數(shù)值模擬研究

根據(jù)1907工作面地質(zhì)條件以及相關(guān)參數(shù)，采用RFPA數(shù)值模擬軟件對1907工作面不同支護條件下巷道變形破壞情況進行數(shù)值模擬。分別模擬工字鋼棚支護方式、錨網(wǎng)支護方式、錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式。

3.2.1 工字鋼棚支護方式模擬結(jié)果

工字鋼棚支護方式模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 工字鋼棚支護方式巷道變形破壞示意圖

由圖3可知，采用工字鋼棚支護后，巷道頂板和兩幫強度在支護初期得到了加強，但是整個工字棚的受力最終都集中到兩個棚腳，隨著時間推移，棚腿逐漸插入底板，致使出現(xiàn)底鼓，隨著底鼓的加劇，工字棚逐漸失去支護作用，頂板和兩幫逐漸出現(xiàn)變形破壞，最后導致整個巷道失穩(wěn)變形破壞。

3.2.2 錨網(wǎng)支護方式模擬結(jié)果

錨網(wǎng)支護方式模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 錨網(wǎng)支護巷道變形破壞示意圖

由圖4可知，采用錨網(wǎng)支護方式，巷道支護密度不足，致使巷道圍巖隨著時間的推移出現(xiàn)了較大的變形破壞。由于頂板未采用錨索支護，隨時間的推移，變形破壞逐漸增大，并由煤壁逐漸向煤體內(nèi)部發(fā)展，長時間之后，變形破壞也十分嚴重，需要采取二次巷道加固。

3.2.3 錨網(wǎng)索支護方式模擬結(jié)果

錨網(wǎng)索支護方式模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 錨網(wǎng)索支護巷道變形破壞示意圖

由圖5可知，巷道采用錨網(wǎng)索支護后，巷道整體強度得以提高。由主應(yīng)力圖和聲發(fā)射圖可知，巷道變形破壞很小，并且逐漸趨于穩(wěn)定，只在圍巖淺部發(fā)生了小范圍的變形，巷道整體保存完好，在使用期間基本無需二次支護。

通過分析可知，工字鋼棚支護和錨網(wǎng)支護的巷道在數(shù)值模擬中出現(xiàn)了不同方式的變形破壞，均達不到支護要求，因此，最終確定試驗巷支護方式為錨網(wǎng)索支護。

4 巷道支護方案

4.1 巷道支護參數(shù)

根據(jù)1907工作面地質(zhì)條件和模擬結(jié)果，在1907運輸順槽和回風順槽采用錨網(wǎng)索支護來控制巷道圍巖變形。

頂板和幫部錨桿采用Φ20×2000mm錳鋼螺紋樹脂錨桿。頂部錨桿間距為800mm，幫部錨桿間距為700mm，樹脂藥卷采用符合煤炭行業(yè)標準MT146.1-2002的Φ23×500mm樹脂錨固劑，每根錨桿1塊藥卷。

全斷面掛網(wǎng)，網(wǎng)間搭接100mm，用14#鐵絲聯(lián)網(wǎng)間距為：每隔一孔聯(lián)一扣。

錨索使用Φ15.24mm的鋼絞線制作，長度為6000mm，間距為2000mm。樹脂藥卷采用符合煤炭行業(yè)標準MT146.1-2002的Φ23×500mm樹脂錨固劑，每根錨索3塊藥卷。其支護材料參數(shù)如表3所示，支護示意圖如圖6所示。

表3 巷道支護材料參數(shù)表

圖6 支護設(shè)計示意圖

4.2 效果檢驗

在寺河礦二號井1907工作面運輸順槽和回風順槽采用錨網(wǎng)索支護來控制巷道圍巖變形。對于支護的實際效果，單純錨網(wǎng)支護，巷道最大兩幫位移量693mm，底鼓量286mm；在使用錨網(wǎng)的基礎(chǔ)上再進行錨索強的支護方式以后，巷道兩幫位移量最大為174mm、底鼓量最大為80mm，與單純U型工字鋼棚支護相比，硐室圍巖變形明顯減小，兩幫位移量、底鼓量最大值分別下降81.7%、72%；

5 結(jié)論

（1）以寺河礦二號井1907工作面為研究對象，采用公式計算出最佳煤柱尺寸為12m，并采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析了6m、9m、12m、15m煤柱尺寸支承壓力，也得出了巷道最佳煤柱尺寸為12m。

（2）采用RFPA數(shù)值模擬軟件對工字鋼棚支護、錨網(wǎng)支護和錨網(wǎng)索支護巷道變形破壞數(shù)值模擬，結(jié)果表明工字鋼棚支護和錨網(wǎng)支護的巷道在數(shù)值模擬中出現(xiàn)了不同方式的變形破壞，均達不到支護要求，因此，最終確定實驗巷支護方式為錨網(wǎng)索支護。

（3）根據(jù)寺河礦二號井1907工作面地質(zhì)條件，分析了巷道支護最優(yōu)參數(shù)。對支護效果進行效果檢驗，結(jié)果表明取得了良好的支護效果。