巷道合理留設(shè)煤柱寬度分析及支護(hù)設(shè)計(jì)

程巨文

（山西焦煤西山煤電西曲礦， 山西 太原 030000）

引言

我國(guó)地域遼闊，能源儲(chǔ)量十分豐富，但能源格局整體呈現(xiàn)出多煤少油貧氣的格局，在“十三五”規(guī)劃以來(lái)，我國(guó)提出利用清潔能源代替化石能源的口號(hào)，但由于我國(guó)國(guó)情的限制作用，使得礦產(chǎn)資源的開采量仍十分巨大，所以在未來(lái)很久的時(shí)間內(nèi)，煤礦資源的開采仍是我國(guó)能源需求量的重要保障。在我國(guó)留煤柱開采是一種重要的開采方式，留煤柱開采不僅可以降低巷道變形程度，同時(shí)留設(shè)煤柱可以有效降低礦井支護(hù)難度，但在我國(guó)留煤柱開采的礦山，由于技術(shù)的局限性，使得很多煤礦煤柱留設(shè)煤柱并不合理[1-2]。煤柱留設(shè)過(guò)小巷道變形量無(wú)法得到有效的限制，此時(shí)支護(hù)需要更高的成本，而煤柱寬度留設(shè)過(guò)大時(shí)，礦井出煤率將會(huì)大大折扣，嚴(yán)重影響礦山經(jīng)濟(jì)，所以合理的煤柱留設(shè)寬度對(duì)于礦井開采十分重要。此前眾多學(xué)者對(duì)礦井煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行過(guò)一定的研究[3-4]，但不同地質(zhì)環(huán)境下的煤柱留設(shè)寬度大不相同，無(wú)法直接引用，因此，以某礦為研究背景，對(duì)煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)煤柱合理留設(shè)寬度進(jìn)行研究，同時(shí)給出相應(yīng)的支護(hù)方案。

1 3103 工作面概況及數(shù)值模擬研究

某礦二采區(qū)5 號(hào)煤層高度在+2183～+2222 m（高差39 m）之間，礦區(qū)高山溝壑，沒有建筑物。5 號(hào)煤層從東到西分布長(zhǎng)而狹窄，西部、南部地勢(shì)較高，東部、北部地勢(shì)相對(duì)較低。3103 工作面位于二礦區(qū)5 號(hào)煤層中，上覆4 號(hào)煤層已經(jīng)開采完畢，下覆煤層6 號(hào)仍處于開采中。5 號(hào)煤層位于3103 工作面的上部，是3102 工作面的采空區(qū)，煤層厚度為6 m，煤層傾角為44°，煤層的平均埋深為200 m。在實(shí)際開采中，使用綜采機(jī)一次采全高技術(shù)，工作面傾斜和走向長(zhǎng)度分別為100 m、1000 m。

對(duì)模型進(jìn)行建立，在進(jìn)行模型建立時(shí)，充分考慮實(shí)際地質(zhì)情況，建立模型長(zhǎng)、寬、高分別為200 m×80 m×205 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要考慮模型的計(jì)算精度及模擬計(jì)算時(shí)間，避免出現(xiàn)計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者計(jì)算精度過(guò)低的情況，本文選定六邊形劃分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終網(wǎng)格共計(jì)318400個(gè)，節(jié)點(diǎn)323560 個(gè)，對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，固定模型左右邊界垂直及水平方向的位移，對(duì)模型的底端施加垂直方向的固定約束，在模型的頂端施加4 MPa 的均布載荷，本構(gòu)模型選定為摩爾- 庫(kù)倫模型，完成模型的設(shè)定。對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)不同煤柱寬度下，煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，同樣選定煤柱寬度3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m進(jìn)行分析，不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部應(yīng)力曲線如圖1所示。

圖1 不同煤柱寬度下煤柱垂直應(yīng)力分布曲線

從圖1 可以看出，煤柱內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在應(yīng)力峰值出現(xiàn)之前，煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，在增大至最大值后又呈現(xiàn)線性衰減的趨勢(shì)，同時(shí)煤柱寬度越大，煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值數(shù)值越大。當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值為3.9 MPa；當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí)，煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力峰值為9.2 MPa；當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力最大值為14 MPa。當(dāng)煤柱寬度為3.0～4.0 m時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值較原巖應(yīng)力低，此時(shí)煤柱的承載能力較弱，而隨著煤柱寬度的增大，垂直應(yīng)力峰值逐步增大，當(dāng)煤柱寬度為5.0 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值仍較低，錨桿很難錨固，所以煤柱寬度為6.0～8.0 m，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值大于原巖應(yīng)力，同時(shí)煤柱寬度增大，垂直應(yīng)力峰值增大趨勢(shì)逐步減弱，利于錨桿錨固。

綜上，當(dāng)煤柱寬度小于6.0 m 時(shí)，垂直應(yīng)力峰值較小，較難進(jìn)行維護(hù)，而煤柱寬度大于6.0 m 時(shí)，利于錨桿錨固。所以從煤柱穩(wěn)定承載情況來(lái)看，煤柱合理的寬度應(yīng)大于6.0 m。

對(duì)不同煤柱寬度下巷道的水平應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，煤柱寬度分別為3～8 m，每1 m 模擬一次，在煤柱內(nèi)部布設(shè)一條位移監(jiān)測(cè)線，將不同煤柱寬度下水平位移進(jìn)行匯總?cè)鐖D2 所示。

圖2 不同煤柱寬度下煤柱位移分布

從圖2 可以看出，不同煤柱寬度下煤柱水平位移曲線呈現(xiàn)出非對(duì)稱的情況，當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，此時(shí)煤柱左幫位移量為-150 mm，煤柱右?guī)臀灰屏繛?0 mm，所以煤柱兩幫變形量為240 mm；當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱左幫位移量為-75 mm，煤柱右?guī)臀灰屏繛?0 mm，所以煤柱兩幫變形量為110 mm；而當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱左幫位移量為-60 mm，煤柱右?guī)臀灰屏繛?0 mm，所以煤柱兩幫變形量為80 mm。由此可以看出，隨著煤柱寬度的增大，煤柱左右端的位移量呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢(shì)，但降低的趨勢(shì)逐步減小，在煤柱寬度小于6 m 時(shí)，此時(shí)為煤柱左右端位移量下降趨勢(shì)較大，而當(dāng)煤柱寬度大于6 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱兩端位移量下降趨勢(shì)逐步降低。同時(shí)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，煤柱左幫變形量明顯大于右?guī)妥冃瘟?，這是由于煤柱左幫應(yīng)力較大，在考慮煤柱變形及經(jīng)濟(jì)效益后，確定合理的煤柱寬度為6 m。

2 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

在確定了最佳煤柱寬度后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體支護(hù)方案如下所示：

頂板選用桿體直徑22 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)度2400 mm，桿尾螺紋為M24。間排距為900 mm、1000 mm，采用樹脂加長(zhǎng)錨固，鉆頭直徑30 mm，每根錨桿采用2 支CK2340 樹脂錨固劑，錨固長(zhǎng)度887 mm。同時(shí)錨桿采用方形帶拱托板，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，采用W 鋼帶護(hù)頂，鋼帶厚度4 mm、寬280 mm、長(zhǎng)度4800 mm，巷道角錨桿與垂直方向傾斜15°，剩余錨桿垂直頂板安裝，錨索采用Φ21.6 mm×8300 mm 的17 股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用3 支CK2360 樹脂錨固劑。

錨索采用“三三”布置，間距1600 mm、排距2000 mm，每排3 根，垂直巷道頂板打設(shè)。

煤柱幫側(cè)采用錨桿直徑22 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿長(zhǎng)度為2400 mm。錨桿間排距為1000 mm、1000 mm，每排4 根，與巷道頂板成65°夾角布設(shè)，采用一支CK2360 樹脂錨固劑。錨桿配件采用方形帶拱托板，托板尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，托板高度不低于36 mm，鋼號(hào)不低于Q235，網(wǎng)片規(guī)格采用8 號(hào)鐵絲編制的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，金屬網(wǎng)網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，在巷幫位置金屬網(wǎng)長(zhǎng)×寬=3600 mm×1200 mm。支護(hù)斷面如圖3 所示。

圖3 支護(hù)斷面圖（單位：mm）

3 結(jié)論

1）不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在應(yīng)力峰值出現(xiàn)之前，煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)，在增大至最大值后又呈現(xiàn)線性衰減的趨勢(shì)，同時(shí)煤柱寬度越大，煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值數(shù)值越大。

2）在煤柱寬度小于6 m 時(shí)，此時(shí)為煤柱左右端位移量下降趨勢(shì)較大，而當(dāng)煤柱寬度大于6 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱兩端位移量下降趨勢(shì)逐步降低，確定最佳煤柱寬度為6 m。

3）通過(guò)數(shù)值模擬確定最佳煤柱留設(shè)寬度后，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，給出了巷道具體的支護(hù)方案。