護巷煤柱中部水倉加固技術研究

摘 要：以納林河二號礦為工程背景，對護巷煤柱中部水倉段穩(wěn)定性進行了分析，提出了墩柱加固方案，監(jiān)測結果表明：回采期間，水倉頂板最大下沉量為55mm，兩幫移進量最大為34mm，圍巖整體變形不大，均在可控范圍內，墩柱受力滿足強度要求，表明加固方案科學合理，滿足安全生產要求。

關鍵詞：護巷煤柱；中部水倉；墩柱；加固

0 前言

留設煤柱一直是煤礦中傳統(tǒng)的護巷方法，傳統(tǒng)的留煤柱護巷方法是在上區(qū)段運輸順槽和下區(qū)段回風順槽之間留設一定寬度的煤柱，使下區(qū)段順槽避開固定支承壓力峰值區(qū)。煤柱水倉的留設，為解決礦井排水提供了便利，但改變了煤柱的應力分布，增加了支護難度。為了降低風險，保證下個工作面在過煤柱水倉時正常回采，本文對護巷煤柱水倉進行了加固設計與研究。

1 工程概況

烏審旗蒙大礦業(yè)有限責任公司是中煤集團未來發(fā)展的重點之一，其下屬納林河二號礦井平均采深約550m，3-1煤工作面煤柱留設寬度為25m。31102工作面一號水倉布置在31102工作間與31103工作面之間的25m煤柱中，位于19號與20號聯(lián)巷之間，水倉寬度兩側煤柱較小，為10.4m，水倉寬度4.2m。煤柱水倉段受回采時超前壓力以及回采后對煤柱側向壓力影響，水倉易發(fā)生變形、破壞，所以需要對于水倉提前進行加固處理。

2 護巷煤柱水倉段穩(wěn)定性理論分析

護巷煤柱一側為回采區(qū)，一側為采準巷道。回采空間和采準巷道在護巷煤柱兩側形成各自的塑性變形區(qū)，塑性區(qū)的寬度分別為x0，x1。護巷煤柱保持穩(wěn)定的基本條件是：煤柱兩側產生塑形變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，彈性核的寬度不應小于2倍煤柱高度。即使在煤柱內開挖一條非常窄的巷道，也會引起煤柱應力重新分布，造成有效支承面積減小，煤柱承載力急劇下降。煤柱中布置水倉就是如此。

水倉靠采空區(qū)側護巷煤柱易整體失穩(wěn)。由于水倉靠采空區(qū)側小煤柱整體失穩(wěn)，導致煤壁峰值應力向深處轉移，造成水倉靠順槽小煤柱壓力增加，帶來的問題可能如下：

①煤柱整體失穩(wěn)。由于兩側巷道的存在，兩側相加為11m，大于水倉靠輔順小煤柱的寬度10.4m，導致水倉兩側的小煤柱均存在整體失穩(wěn)的風險，且水倉靠采空區(qū)小煤柱整體失穩(wěn)風險性最大。

②輔運順槽壓力大，變形大。輔運順槽壓力大，大煤柱整體壓縮，輔運順槽頂板不均勻下沉，副幫側頂板下沉量大于正幫側頂板下沉量，頂板呈現(xiàn)傾斜狀態(tài)，由于水倉靠輔順小煤柱壓力增大，副幫出現(xiàn)鼓出現(xiàn)象。

③水倉嚴重變形甚至垮塌。水倉處于煤柱的彈性區(qū)，位于應力峰值附近，壓力大，同時長期處于礦井水浸泡中，圍巖強度降低，因此水倉存在嚴重變形及垮塌的風險。

④煤柱水倉段沖擊礦壓風險陡增。煤柱水倉段在二次回采時，受超前采動影響，水倉兩側小煤柱及回風順槽（上個面輔運順槽）支承壓力陡增，煤巖體所受的應力超過自身強度，在頂板超前來壓的作用下，極易造成輔運順槽發(fā)生沖擊礦壓現(xiàn)象。

3 護煤柱水倉段加強支護設計

3.1 原有支護

在31102工作面一號水倉內架設單體，水倉長度為50m。按一排三根、間排距1m布置；采用型號為DW31.5-300/110單體支柱，打設單體后活柱行程不小于200mm，初撐力符合規(guī)定要求。單體安設柱靴、柱帽，單體柱鞋安裝在硬底板上。

3.2補強支護設計

在原有基礎上采用墩柱補強支護。墩柱直徑600mm，高度3.1m，伸縮范圍0.5m，中心距5m。對于拱形巷道，按照《公路隧道設計規(guī)范》中圍巖壓力公式計算上覆巖層垮落高度及荷載。

式中：q為垂直均布壓力，kN/m2；γ為圍巖重度（kN/m3），取25；S為圍巖級別，考慮圍巖塑形變形，按5級考慮；B為巷道寬度，m；i為B每增加1m時的圍巖壓力增減率，以B=5m的垂直均布壓力為準，當B<5時，取i=0.2，當B>5時，取i=0.1。

根據(jù)公式（2）計算得G=695kN/m，600mm直徑墩柱的支護強度為5652kN，墩柱中心距為5m時，每米支護強度為5652kN/5=1130kN/m>695kN/m，滿足要求。

為了增加護頂面積，在墩柱中間增加π型鋼梁，長度6m，兩端搭接在墩柱上。墩柱上部連接頂錨下部連接底錨。錨桿直徑22mm，長度1200mm，外露500mm。支護斷面圖見3.1。

4 現(xiàn)場工業(yè)性試驗效果評價

現(xiàn)場布置了3個監(jiān)測斷面對水倉整體圍巖變形和墩柱受力進行實時監(jiān)測。監(jiān)測結果表明：回采期間，水倉頂板最大下沉量為55mm，兩幫移進量最大為34mm，圍巖整體變形不大，均在可控范圍內，墩柱受力滿足強度要求，表明加固方案科學合理，滿足安全生產要求。

5 結論

①理論分析表明，水倉恰處于煤柱的彈性區(qū)，位于應力峰值附近，導致煤柱無彈性核，壓力大，同時長期處于礦井水浸泡中，圍巖強度降低，因此水倉存在嚴重變形及垮塌的風險且靠采空區(qū)小煤柱整體失穩(wěn)風險性最大。

②在水倉進行了墩柱補強支護。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，回采期間，圍巖整體變形不大，均在可控范圍內，墩柱受力滿足強度要求。加固方案可為類似工程設計提供一定參考價值。

參考文獻：

[1]張紅軍，李海燕，李紅偉.深部回采巷道圍巖破壞機制及控制技術[J].煤礦安全，2016，47（09）：93-96.

[2]申志平.沿空掘巷煤柱寬度與支護參數(shù)的研究與應用[J].煤炭科學技術，2010，38（7）：31-34.

作者簡介：

潘涌治（1984- ），男，本科學歷，內蒙古赤峰市人，助理級工程師，2009年畢業(yè)于內蒙古科技大學，現(xiàn)從事現(xiàn)場技術管理工作。