30107綜放沿空掘巷窄煤柱設計研究

馮昭軍

摘 要：為提高礦井采出率，增加礦井經濟效益，本文以30107綜放工作面為背景，采用數值模擬軟件和雷達探測進行煤柱寬度優化設計，并根據煤柱寬度對回采巷道進行合理支護設計。研究表明：留設5m窄煤柱較為合理，頂板錨桿長度2.2m，兩幫錨桿長度1.8m，直徑18mm，錨索規格Φ15.5×5000mm，可實現大量釋放煤炭資源。

關鍵詞：綜放;沿空掘巷;窄煤柱

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0171-02

依照多出煤炭，多出效益的技術思路，為保障礦井安全生產，對30107綜放工作面進行窄煤柱沿空掘巷設計，在此基礎上實現安全高效開采。

1 工程概況

1.1 礦井布局及接續情況

（1）采掘布局情況。礦井目前布置有1個生產盤區：301盤區;2個準備盤區：302和303盤區。1個采煤工作面：30108綜采工作面;2個掘進工作面：一水平北翼輔助運輸大巷延伸和30107工作面切眼刷擴。

（2）生產接續。采煤：30108工作面剩余可采量作為礦井驗收，暫不回采，接續工作面為30107工作面。掘進：年底計劃完成30107工作面切眼剩余刷擴工作，完成一水平北翼皮帶大巷、帶式輸送機大巷和回風大巷延伸掘進各510m，完成30110工作面回采巷道掘進任務。

1.2 工作面概況

30107工作面東側為大巷保安煤柱;南側為一采區30105工作面采空區;西側為井田邊界;北側為30109工作面（未開采區）。工作面開采延安組3號煤，煤厚10.5m，煤層結構簡單。可采走向長度1414.5m，傾向長度200m，可采儲量315萬t。煤層頂底板情況見表1。

2 窄煤柱合理尺寸確定

2.1 數值模擬計算

模型的幾何尺寸比較大，寬×高為400m×290m，左、右邊界分別模擬到了30105工作面采空區和30109工作面，考慮到軟件對模型單元數的限制和研究對象的區域集中性，3煤本身及其頂底板附近圍巖網格劃分的較密，而模型邊界附近的網格劃分的較疏。

圖1中等值線間隔值為0.1，巷道位于K=1.3～1.2區域內。將意味著巷道掘進后兩幫將會產生比較嚴重的變形與破壞。圖中白色區域為巷道圍巖塑性區范圍。

皮帶巷側支承壓力集中系數k等值線圖及下幫5m處巷道圍巖應力皮帶巷支承壓力集中系數k等值線圖如圖2所示。

圖中等值線間隔值為0.1。煤柱寬度0m時K=0.9～1.0，煤柱寬度0～2m時巷道位于K=1.0～1.1，煤柱寬度2～3m時K=1.1～1.2， 煤柱寬度3～5m時K=1.2～1.3區域，煤柱寬度大于7～8m后應力急劇升高，煤柱寬度10m時K=17～1.8區域。可見煤柱寬度不應大于7～8m，而且原則上以不留煤柱掘進巷道最為有利。

2.2 圍巖松動圈雷達探測成果分析

圍巖松動邊界確定：分析雷達探測成果可知，在約2.5m處雷達波的同相軸很明顯，再向深處則波幅迅速衰減，依據探地雷達的基本原理，可以判定此處為巷道圍巖松動圈的邊界位置。

圍巖松動范圍變化規律：從總的趨勢來看，由邊緣向工作面中央區域，松動圈范圍由大變小，反映出應力分布亦呈由大到小的規律。

由此得到以下結論：距30105采空區10～39.6m段巷道圍巖松動圈最大，此位置圍巖應力水平較高，因此不宜將30107軌道順槽布置在該區域內，即合理煤柱寬度應小于8m。

2.3 煤柱尺寸

綜合上數值模擬及雷達控測分析結論，30107軌道順槽合理位置為距采空區邊緣4～5m左右，同時考慮防火、水和瓦斯的原因，與采空區留設5m窄小煤柱進行布置。

3 工作面回采巷道支護設計

3.1 支護設計原則

由于沿空巷道松動范圍較大，尤其是在4～5m小煤柱情況下，巷道單獨采用錨桿支護在安全上不太可靠，因而需要采用錨網索梯聯合支護，其中均以錨桿主動加固為主，錨索支護的作用主要是防止頂板離合。

錨桿設計應遵循“高錨固力、高預緊力、高可靠性”設計原則，確保安全生產。同時在錨桿設計中，還應考慮沿空巷道兩幫壓力大小不同的問題（小煤柱巷道實體幫壓力偏大），以及“動載影響”問題。

3.2 支護參數設計

（1）錨桿間排距。考慮到目前煤礦的錨桿質量與施工機具的影響，沿空巷道錨桿間排距不宜大于0.9m，故取設計間距800mm，排距900mm。

（2）錨桿設計參數的確定。

①錨桿長度。根據已確定的30107工作面回采巷道煤柱寬度，在已形成的支承壓力狀態下掘進巷道，模擬分析巷道松動范圍與破碎程度，據此確定錨桿長度，并分析是否需要采用錨索并確定錨索長度。

以5m煤柱為條件，模擬得到巷道垂直位移分布，頂板垂直位移在巷道表面最大，隨著距離巷道頂板高度的增加，變形逐漸減小。不同高度的位移值見表2。

從表2變化規律看，50%以上的變形都集中在頂板以上0-1.6m的范圍內，在1.6m之外變形迅速減小，表明頂板的松動范圍為1.6m左右。因此，錨桿有效長度應不小于1.8m，而之外部分由錨索承擔。故此確定，頂板錨桿設計長度為2.2m，兩幫設計長度為1.8m。

②錨固力的確定。樹脂錨固錨桿錨固力Pm，由錨桿屈服強度Pg、樹脂對桿體的包裹力Pb、樹脂與孔壁巖石粘結力Pr三部分中的最小值確定，即：Pm=min{Pg，Pb，Pr}

數值模擬計算得到的5m煤柱沿空巷道頂板最大變形與錨桿屈服強度之間的關系，即umax-Pg關系見表3。

由表3可見，隨著錨桿錨固力的增加，巷道變形逐漸降低，但降低的幅度不同。當錨固力小于10t時變化明顯，大于10t以后變化相對平穩。因此錨桿強度不應小于10t。此外，在復雜采動條件下，沿空巷道需經受動載影響，因此還需要考慮“動載影響系數”。為此，在靜力學分析模型基礎上，采用動力學模擬方法，對錨桿受動載作用下的受力情況進行了研究，取動載影響系數為1.2，則沿空巷道的錨桿錨固力設計為12t。

③錨桿桿體強度及直徑。錨桿桿體強度Pg≥錨固力，故設計為12t，通過已知桿體強度，根據采用的螺紋鋼抗拉強度，可以得到錨桿直徑。螺紋鋼抗拉屈服強度Rt為500MPa，則錨桿直徑（mm）為：

將已知量代入，計算錨桿理論值為16mm，同時結合周邊煤礦開采實際，取錨桿直徑設計值為18mm。

（3）錨索布置方式。錨索支護的間距為：3000mm，巷中單排布置，規格為Φ15.5×5000mm鋼絞線，托盤為圓托盤D=200×18mm（或增大錨餅長×寬×厚：350×350×10mm），采用4卷MSZ2350#樹脂錨固劑，預緊力不少于8～10t。

4 設備安裝

30107工作面采用大采高回采工藝，后退式綜采放頂煤采煤法，使用高壓注水進行頂煤預裂。30107工作面需要安裝ZYF18000/29/55D型中間液壓支架92架，過渡支架ZFG18600/29.5/50D型液壓支架7架（溜頭3架、溜尾4架），運順端頭安裝ZTZ20000/25/47D型端頭支架1組，運順安裝ZTCY20000/25/47D型超前支架1組，回順安裝ZTCH 39100/25/47D型超前支架1組，工作面安裝MG900/2245-GWD型雙滾筒采煤機1部，工作面安裝SGZ-1000/2*855刮板輸送機2部各200m，運順安裝SZZ1350/700型轉載機一部，長度為70m，PLM4000型破碎機一部，電控液壓移動列車組1套，可伸縮膠帶輸送機一部，長度為1650m。在30106聯巷內根據設計改造綜采遠距離集中供液設備硐室，共放置3臺BRW630/37.5型高端智能乳化液泵，2臺BPW800/16型高端智能噴霧泵。

5 結語

30107工作面采用留設5m窄小煤柱進行沿空掘巷，可回收煤炭資源7.4萬余噸，提高礦井采出率，增加礦井經濟效益，實現礦井高產集約化生產。

參考文獻

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