煤層回采巷道煤柱寬度分析與支護(hù)技術(shù)研究

馬 坡 李鳳申 張洪強(qiáng)

（高莊煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272195）

1 概況

山東能源棗礦集團(tuán)高莊煤礦主采山西組3上煤層，厚0.48～8.53 m，平均4.81 m。3上煤層頂板以細(xì)粒砂巖為主，砂巖2～5 層，總厚1.14～48.75 m，平均18.25 m。3上煤層底板為砂巖，厚0.70～30.68 m，平均11.31 m。3上1112 工作面巷道全長約1200～1300 m。巷道存在F14、FD4、F14-3、FD3（正、逆）、FD16、F91 等較大的斷層，地質(zhì)情況復(fù)雜。3上1112 工作面回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，需對護(hù)巷煤柱合理寬度和圍巖控制技術(shù)進(jìn)行研究[1-6]。

2 護(hù)巷煤柱合理寬度分析

2.1 護(hù)巷煤柱合理寬度數(shù)值模擬模型及方案

利用UDEC 數(shù)值模擬軟件研究不同保護(hù)煤柱寬度條件下的煤柱變形、垂直應(yīng)力分布、裂隙分布情況，確定合理煤柱寬度，為3上1112 工作面回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

根據(jù)3上1112 工作面和巷道的空間位置關(guān)系及工程地質(zhì)條件建立三維數(shù)據(jù)模型，模型：巷道埋深260 m，長度200 m，寬度45.6 m，側(cè)壓系數(shù)1.0，巷道斷面尺寸4.0 m×4.0 m。數(shù)值模擬主要選取留設(shè)煤柱寬度分別為3 m、5 m、15 m、25 m 和35 m五種情況。

2.2 不同寬度煤柱模擬結(jié)果分析

2.2.1 煤柱變形特征分析

根據(jù)UDEC 數(shù)值模擬結(jié)果，繪制不同護(hù)巷煤柱寬度時煤柱變形曲線如圖1。

從圖1 數(shù)據(jù)知，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度從3 m、5 m、15 m、25 m、35 m 數(shù)值增大時，掘進(jìn)期間煤柱承載能力呈逐漸增大、煤柱變形量呈逐漸降低的規(guī)律。區(qū)段煤柱為3 m 時，采空區(qū)側(cè)煤柱變形量最大達(dá)650 mm，巷道側(cè)煤柱變形量最大達(dá)390 mm，煤柱承載能力低下；區(qū)段煤柱為5 m 時，采空區(qū)側(cè)煤柱變形量最大達(dá)420 mm，巷道側(cè)煤柱變形量最大達(dá)460 mm，煤柱有一定承載能力；區(qū)段煤柱為15 m 時，采空區(qū)側(cè)煤柱變形量最大達(dá)170 mm，巷道側(cè)煤柱變形量最大達(dá)120 mm，煤柱承載能力較強(qiáng)，承載能力提升明顯，煤柱變形量處于120～170 mm，巷道圍巖變形量得到了有效的控制；區(qū)段煤柱為25 m 和35 m 時，采空區(qū)側(cè)煤柱變形量最大分別為62 mm、52 mm，巷道側(cè)煤柱變形量最大分別為82 mm、72 mm，煤柱兩側(cè)的變形量較小，巷道圍巖穩(wěn)定，煤柱承載能力非常理想。

圖1 不同護(hù)巷煤柱寬度時煤柱變形曲線

2.2.2 煤柱內(nèi)應(yīng)力和裂隙分布特征

數(shù)值模擬得出不同護(hù)巷煤柱寬度時垂直應(yīng)力分布及煤柱內(nèi)裂隙分布情況如圖2。

圖2 不同護(hù)巷煤柱寬度下煤柱垂直應(yīng)力及裂隙分布圖

分析圖2（a）不同護(hù)巷煤柱寬度時垂直應(yīng)力分布曲線可知，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度從3 m、5 m、15 m、25 m、35 m 數(shù)值增大時，煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力呈先增大后減小趨勢。煤柱寬度為15 m 時，煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力達(dá)到最大值23 MPa，煤柱區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，煤柱壓入底板，發(fā)生層狀或拱形冒落，煤柱穩(wěn)定差；護(hù)巷煤柱寬度從15 m 增加到25 m 的過程中，煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力開始逐漸減?。蛔o(hù)巷煤柱寬度從25 m 增加到35 m 的過程中，煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力減小幅度降低。根據(jù)煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力的變化情況來看，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度在25 m 時較為合理，煤柱內(nèi)最大垂直應(yīng)力符合施工實(shí)際。

分析圖2（b）不同護(hù)巷煤柱寬度時煤柱內(nèi)裂隙分布曲線可知，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度從3 m、5 m、15 m、25 m、35 m 數(shù)值增大時，掘進(jìn)期間煤柱內(nèi)“閉合裂隙”（裂隙不貫通區(qū)域）長度呈逐漸增大規(guī)律。當(dāng)區(qū)段煤柱為3 m 時，煤柱幾乎無“閉合裂隙”區(qū)域，煤柱“閉合裂隙”區(qū)域幾乎為0，煤柱無承載能力；當(dāng)區(qū)段煤柱為5 m 時，煤柱“閉合裂隙”區(qū)域約為1 m，煤柱有部分承載能力；當(dāng)區(qū)段煤柱為15 m 時，煤柱“閉合裂隙”區(qū)域約為7.9 m，裂隙不貫通區(qū)域較大，煤柱有一定的承載能力；當(dāng)區(qū)段煤柱為25 m 時，煤柱“閉合裂隙”區(qū)域約為13.9 m，煤柱有好的承載能力；當(dāng)區(qū)段煤柱為35 m 時，煤柱“閉合裂隙”區(qū)域約為25.1 m，煤柱有相當(dāng)理想的承載能力。

綜合3上1112 工作面回風(fēng)順槽沿空掘巷在不同護(hù)巷煤柱寬度時煤柱變形、垂直應(yīng)力分布、裂隙分布特征可知：當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為25 m 和35 m 時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力最大值較小，能有效地保障巷道圍巖的穩(wěn)定；結(jié)合裂隙閉合區(qū)寬度分析可知煤柱寬度應(yīng)設(shè)定在25 m 以上。綜合煤炭開采的經(jīng)濟(jì)效益，確定3上1112 工作面回風(fēng)順槽沿空掘巷合理的護(hù)巷煤柱寬度為25 m。

3 巷道支護(hù)技術(shù)研究

3.1 支護(hù)方案

基于地質(zhì)條件設(shè)計了該巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案，如圖3。

圖3 3上1112 回風(fēng)順槽支護(hù)方案圖（mm）

（1）頂板控制。采用Ф20 mm 型左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，材料CRM600 號鋼，長2100 mm，間排距1100 mm×1000 mm，錨固力不小于60 kN，預(yù)緊扭矩不低于250 N·m，樹脂藥卷規(guī)格：MSCK2335 一支和MSZ2360 一支； 采用Ф17.8 mm×6300 mm錨索，排距2000 mm，菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂。

（2）兩幫控制。采用Ф20 mm 型左旋無縱筋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，材料CRM600 號鋼，長2100 mm，間排距1100 mm×1000 mm，錨固力不小于60 kN，預(yù)緊扭矩不低于250 N·m，樹脂藥卷規(guī)格：MSCK2335一支和MSZ2360一支，菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂。

3.2 效果分析

在3上1112 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，進(jìn)行了表面位移監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)得出圍巖變形量曲線圖如圖4。

圖4 3上1112 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間圍巖變形量曲線圖

從圖4 數(shù)據(jù)可知，3上1112 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，滯后掘進(jìn)迎頭0～40 m 范圍內(nèi)巷道圍巖變形量較大，呈現(xiàn)增長趨勢；滯后掘進(jìn)迎頭40 m 后，巷道圍巖變形量增大趨勢迅速降低；掘進(jìn)至迎頭60 m 時處于穩(wěn)定狀態(tài)，最大頂?shù)装逡平繛?9 mm，最大兩幫移近量為101 mm。

4 結(jié)語

根據(jù)高莊煤礦3上1112 回風(fēng)順槽圍巖的地質(zhì)條件，采用UDEC 數(shù)值模擬軟件確定了合理的護(hù)巷煤柱寬度為25 m，設(shè)計了巷道錨網(wǎng)索支護(hù)方案。表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，3上1112 回風(fēng)順槽巷道圍巖頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟枯^小，可有效保障巷道掘進(jìn)安全。