合理區段煤柱尺寸與巷道支護技術研究

許李龍

（晉城煤業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，在上區段運輸平巷和下區段回風平巷之間留設煤柱。在煤層開采的過程中，工作面的回風巷道先后經受兩次煤層回采產生的采動影響。合理的煤柱尺寸可以防止巷道圍巖出現變形破壞，保證巷道的穩定性。

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，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應力狀態重新分布。對于煤柱邊緣來說，受支承壓力影響，煤柱邊緣形成應力集中區，其應力大小數倍于原巖應力γH，煤柱邊緣由彈性狀態轉化為塑性狀態，其強度變低，煤柱邊緣受力影響產生破壞。隨著工作面逐漸向前回采，應力集中區逐漸向煤柱深部轉移，支承應力曲線成拋物線狀態。當支承應力與煤柱所能承載應力平衡時，煤柱不再受支承應力影響，處于平衡穩定狀態。煤柱應力區域分布示意圖如圖1所示。

圖1 煤柱支承應力區域分布示意圖

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

式中：

K-應力集中系數，一側采空取值2.5，兩側采空取值4。

P-煤柱的阻力，一般取值0；

M-采高，m；

H-采深，m；

C-煤柱內粘聚力，一般取值0.45～0.75；

φ-內摩擦角，°；

f-煤柱與頂底板接觸摩擦系數，一般取值0.125；

ξ-三軸應力系數，

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-考慮煤柱穩定時安全儲備，取值0.2（X0+X1）=2.0m。

依據寺河礦二號井1907工作面地質條件以及相關參數，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 合理煤柱尺寸的數值模擬

3.1 不同寬度煤柱的數值模擬

根據1907工作面地質條件以及相關參數，采用FLAC3D數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。設定各巖層及弱結構力學參數如表2所示。

表2 模型各巖層力學參數

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力變化示意圖

3.2 不同支護方式數值模擬研究

根據1907工作面地質條件以及相關參數，采用RFPA數值模擬軟件對1907工作面不同支護條件下巷道變形破壞情況進行數值模擬。分別模擬工字鋼棚支護方式、錨網支護方式、錨網索聯合支護方式。

3.2.1 工字鋼棚支護方式模擬結果

工字鋼棚支護方式模擬結果如圖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變形破壞，最后導致整個巷道失穩變形破壞。

3.2.2 錨網支護方式模擬結果

錨網支護方式模擬結果如圖4所示。

圖4 錨網支護巷道變形破壞示意圖

由圖4可知，采用錨網支護方式，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部發展，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 錨網索支護方式模擬結果

錨網索支護方式模擬結果如圖5所示。

圖5 錨網索支護巷道變形破壞示意圖

由圖5可知，巷道采用錨網索支護后，巷道整體強度得以提高。由主應力圖和聲發射圖可知，巷道變形破壞很小，并且逐漸趨于穩定，只在圍巖淺部發生了小范圍的變形，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支護的巷道在數值模擬中出現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索支護。

4 巷道支護方案

4.1 巷道支護參數

根據1907工作面地質條件和模擬結果，在1907運輸順槽和回風順槽采用錨網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，網間搭接100mm，用14#鐵絲聯網間距為：每隔一孔聯一扣。

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 巷道支護材料參數表

圖6 支護設計示意圖

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，單純錨網支護，巷道最大兩幫位移量693mm，底鼓量286mm；在使用錨網的基礎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數值模擬軟件對工字鋼棚支護、錨網支護和錨網索支護巷道變形破壞數值模擬，結果表明工字鋼棚支護和錨網支護的巷道在數值模擬中出現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索支護。

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