紅廟礦護巷煤柱合理留設寬度及支護結構研究與應用

宋 洋 張向東 祝百茹 于國旺

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新123000)

我國的主要能源中煤炭占首要位置，煤炭在國民經濟建設中有著非常重要的戰略意義。在中國所有煤礦內巷道長度總和已超過3萬km，而且絕大部分巷道受到采動破壞的影響。一般情況下都采用留設煤柱的方法對受采動影響的巷道進行護巷，但是隨著社會的發展，人類對煤炭需求量的增加，煤礦開采越來越深部化，巷道的原巖應力也隨之增加，護巷難度也越來越大。護巷煤柱的要求也越來越高［1-4］。彭文慶［5］認為要得到合理的護巷煤柱寬度必須從煤柱的屈服寬度入手，而利用彈塑性極限平衡理論可以得到煤柱的屈服寬度。王其芳［6］經過對斷層的研究，得到在保護煤柱留設方法中巖層的移動角對煤柱的留設具有極其重要的意義。陳金國［7］運用統計分析的方法，對巷道處于圍巖不穩定條件下進行研究，得到煤柱尺寸的計算方法。胡炳南［8］認為要得到煤柱的合理留設尺寸，必須考慮到煤柱的強度，經過大量實驗研究，推導出了在煤柱裂隙面計算剪力強度安全系數的公式。目前的研究中怎樣確定煤柱的合理寬度一直沒有統一的標準。

本研究通過試驗測試煤層及周圍巖體的力學基本參數，利用有限差分軟件建立井下采場模型，分析留設不同煤柱寬度時，煤柱內塑性破壞區分布，最終確定煤柱合理的護巷寬度。對采用最佳煤柱寬度支護前后的巷道穩定性進行對比分析，并采用強力約束小煤柱的支護方案，提升巷道支護水平，為相關工程設計提供科學依據。

1 工程概況

赤峰市元寶山紅廟礦，2621工作面東西部為地表采煤沉陷區，工作面地表地形起伏變化較大，井下位置位于南翼采區。該工作面由北向南，二層煤分岔為二1層煤與二3層煤。二1層煤0.46～1.77 m，平均0.9 m，由北向南呈變薄趨勢，本工作面開采二3層煤。工作面煤層分叉合并線以北煤層及夾矸情況:自上而下第一層夾矸0.3～1.24 m，平均0.7 m，由東向西、由北向南是厚度逐漸增加;巖性由北向南，由松軟的炭質泥巖變為相對較厚且較硬的灰黑色粉砂巖;第一層夾矸上煤厚1.09～3.14 m，平均2.2 m，由北向南呈變薄趨勢。夾矸下煤較穩定，12.12～19.97 m，平均16.83 m。工作面煤層合并線以南煤層及夾矸情況:自上而下第一層夾矸由北向南增厚，0.4～2.3 m，平均1.0 m，由北向南增厚，夾矸上煤厚0.2～0.9 m，平均0.4 m，由北向南厚度變小，夾矸下煤厚14.28～17.15 m，平均15.85 m。工作面底部一般有二層夾矸，夾矸厚度和巖性都變化較大，不穩定。北段:第一層夾矸厚度0.41～2.98 m，平均1.8 m;夾矸下煤厚1.15～1.28 m，平均1.23 m;第二層夾矸厚度0～1.96 m，平均0.65 m，夾矸層巖性為砂質泥巖或粉砂巖。夾矸下煤厚0～1.25 m，不穩定，平均0.42 m。南段:第一層夾矸厚度0.3～1.74 m，平均0.98 m，夾矸下煤厚1.93～2.79 m，平均2.29 m;第二層夾矸厚度0～0.59 m，平均0.2 m，夾矸下煤厚0～1.52 m，平均0.5 m。

2 煤體力學性能試驗

為保證研究的實施，需要進行煤的物理力學性質的測定，分別為抗壓強度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角、彈性模量、泊松比。在煤礦的第四和第五分層不同地點取多塊煤樣。用切片機切成不同大小的長方體試樣，用取芯機鉆取50 mm×100 mm的圓柱體試件，再用磨石機把試樣兩端磨平。分別進行煤的單軸抗壓試驗、抗拉試驗、剪切試驗和變形試驗，獲取煤體的各種力學參數，具體如表1所示。

表1 試件力學參數Table 1 Mechanical parameters of samples

3 煤柱理論計算

根據巷道圍巖的塑性區寬度建立理論公式，計算煤柱彈性區域，以保持煤柱的穩定性。在煤柱中部設置寬度為2M的范圍作為彈性區。所以，護巷煤柱保持穩定性寬度B為

式中，x1為采空區側塑性區寬度，m;x2為巷道側塑性區寬度，m;2M為煤柱中部彈性區寬度，m。

運用巖體的極限平衡理論按下式計算煤柱采空區一側煤柱的塑性區寬度x1，即

式中，m為煤層采高，3.7 m;λ為側壓系數，λ=μ/(1－μ)，μ為泊松比;為煤體內摩擦角;Co為煤體黏聚力，1 520 kPa;k為應力集中系數，當煤抗壓強度低于25 MPa時，k取值為2.5;H為巷道埋藏深度，300 m;γ為巖層平均體積力，25 kN/m3;Po為支護阻力，一般取Po=0.1 MPa;d為開采擾動系數，d=1.5～3，取3;A=0.3/(1－0.3)。

根據松動圈理論，巷道開挖后圍巖平衡狀態被破壞，鄰近周邊的圍巖首先破碎，并逐漸向深部發展，直到一定深度重新達到平衡為止，圍巖中產生非彈性部分即為塑性區。把矩形巷道等效圓形巷道，則塑性區寬度x2為

式中，Ro為巷道等效圓半徑，2.35 m;PY為原巖應力，PY=25×300×103=7.5 MPa;CY為圍巖黏結力，1.52 MPa;φ 為圍巖內摩擦角，33°。

所以煤柱的寬度為B=9.05+2×3.7+3.83=20.28 m，通過理論計算，煤柱寬度應至少為20.28 m。

4 數值模擬

4.1 模型建立

煤層一旦開采，四周圍巖的原始應力都會發生改變，出現變形和位移，如果變形過大的話就會出現破壞，影響的范圍一般很大。正常情況頂板的變形遠大于底板的變形，所以本次模擬主要反映頂板的破壞情況，模擬的范圍也以頂板巖層為主。但為了考慮煤層的整體性，模型的確定必須包括底板。模型的大小為長度100 m、高度40 m、厚度10 m。荷載σz按式(4)得到，模型底部邊界設定為全約束，上部邊界設定為自由邊界條件，前后左右邊界條件設定為，x，y方向固定，z方向自由。

式中，γ為上覆巖層的體積力，kN/m3;H為模型頂界距地表的深度，m。水平方向上加上側向應力，側向應力由自重應力所產生，由下式確定:

式中，σz為豎向應力，MPa。

本次模擬的煤層及周圍巖體的力學參數見表2。

表2 圍巖材料參數Table 2 Material parameters of surrounding rock

4.2 結果分析

(1)由圖1可知，煤柱寬度15 m時(圖1(a))，巷道側塑性區與采空區塑性區貫通，無彈性區，煤柱不穩定巷道被壓壞。煤柱寬度20 m時(圖1(b))，巷道側塑性區6 m，采空區側塑性區11 m，塑性區之間有彈性區，但是彈性區只有3 m，小于2倍的巷道采高，即小于7.4 m，受到采動壓力影響，煤柱中央將不存在穩定的彈性區，整個煤柱將全部處于塑性區范圍，煤柱與巷道的安全性較低。煤柱寬度25 m時(圖1(c))，巷道側塑性區5 m，采空區側塑性區10 m，塑性區之間彈性區10 m，大于兩倍的采高，即大于7.4 m，煤柱穩定，巷道安全。煤柱寬度30 m時(圖1(d))，巷道側塑性區4 m，采空區側塑性區10 m，塑性區之間彈性區16 m，大于2倍的采高，煤柱穩定，巷道安全。由此可知:保護煤柱寬度越大，巷道與采空區塑性區范圍越小，巷道越穩定。煤柱寬度25 m以下巷道穩定性受影響較大，25～30 m較為合理。

(2)由圖2與圖3可知，頂底板最大移近量為19.79 cm(煤柱寬度為 15 m時)，最小移近量為6.184 cm(煤柱寬度為30 m時)。左右幫最大收斂量為35.968 cm(煤柱寬度為15 m時)，最小移近量為11.058 cm(煤柱寬度為30 m時)。由此可得，煤柱寬度15～25 m時頂底板、左右幫收斂量曲線變化幅度大，移近量數值大，說明巷道位移變化不穩定，煤柱被壓壞。而25～30 m之間曲線比較接近且平緩，說明巷道位移變化較穩定，煤柱沒有被壓壞，巷道安全。煤柱寬度25～30 m較為合理。

圖1 不同煤柱寬度的巷道塑性區Fig.1 Plastic zone of roadway in different coal pillar's width

圖2 巷道頂、底板位移圖Fig.2 Displacement of roadway roof and floor

圖3 巷道兩幫收斂值Fig.3 Convergence value of two sides of roadway

5 加固治理

紅廟礦巷道采用強力約束小煤柱的方法進行加固，即錨索+大鋼板+注漿+噴射混凝土的聯合加固方法，通過高預緊力錨索和大鋼板對煤柱施加圍壓，并通過注漿使煤柱內破碎巖體和穩定巖體黏合在一起，使煤柱更加完整，改善了其自撐能力。

左幫(靠煤柱側)通過錨索+大鋼板+注漿的強力約束方法進行支護，預應力錨索與鋼板可以有效加固煤柱，注漿既可以把錨索與煤體之間的間隙填滿增加錨索的可靠性，又能進一步擴散到周邊松散的煤體，把已破碎的巖塊黏結到一起，提高煤柱的整體性和承載能力，從而改善巷道支護效果。與只用錨索支護的結構相比，錨索加注漿不但加固了周圍煤巖，而且加強了錨索的著力基礎，是一種有別于金屬鋼架被動支護的主動支護形式。它具有初期支撐強、增阻能力好、承載能力高的特性，能夠比較好地解決應力較高地區、采動影響巷道、斷層帶附近以及軟巖地層圍巖松動與大變形造成的錨固力急劇衰減的難題。并且通過注漿，可有效堵塞煤柱的孔隙，防止瓦斯及水的滲入。

錨索選用17.8 mm鋼絞線錨索，采用樹脂錨固劑來實現端頭錨固，注漿采用水泥－水玻璃雙液漿，托盤采用400 mm×400 mm×20 mm鋼板托盤，通過大鋼板增加對左幫的封閉面積，從而提高對圍巖的約束，增加支護強度。錨桿采用20 mm的左旋無縱筋螺紋鋼，托盤采用150 mm×150 mm×10 mm鋼板托盤。本次設計采用 CK2370樹脂錨固劑，一根CK2370錨固劑的錨固長度為600 mm。支護參數見表3，斷面支護結構如圖4所示。按設計進行支護后結果如圖5與圖6所示，巷道頂底板移近量減少50.3%，左右幫收斂量減少81.0%，說明本次支護設計較好的控制了圍巖變形，達到了設計目標。

表3 2621運輸順槽支護參數Table 3 Support parameters of 2621 transport gateway

圖4 2621斷面支護結構Fig.4 Supporting structure of 2621 section

◆—支護前;■—支護后

圖6 支護前后巷道左右幫收斂量Fig.6 Convergence value of two sides of roadway before and after supporting

6 結論

(1)保護煤柱寬度越大，巷道與采空區塑性區范圍與位移量越小，巷道越穩定，最終確定煤柱留設寬度為25 m。

(2)2621運輸順槽巷道采用強力約束小煤柱的方法進行加固，即錨索+大鋼板+注漿+噴射混凝土的聯合加固方法，使得頂底板移近量減少約為50.3%，左右幫收斂量減少約為81.0%，說明設計方案可有效控制巷道變形。

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