煤層回采巷道煤柱寬度分析與支護技術研究

馬 坡 李鳳申 張洪強

（高莊煤業有限公司，山東 濟寧 272195）

1 概況

山東能源棗礦集團高莊煤礦主采山西組3上煤層，厚0.48～8.53 m，平均4.81 m。3上煤層頂板以細粒砂巖為主，砂巖2～5 層，總厚1.14～48.75 m，平均18.25 m。3上煤層底板為砂巖，厚0.70～30.68 m，平均11.31 m。3上1112 工作面巷道全長約1200～1300 m。巷道存在F14、FD4、F14-3、FD3（正、逆）、FD16、F91 等較大的斷層，地質情況復雜。3上1112 工作面回風順槽沿煤層底板掘進，需對護巷煤柱合理寬度和圍巖控制技術進行研究[1-6]。

2 護巷煤柱合理寬度分析

2.1 護巷煤柱合理寬度數值模擬模型及方案

利用UDEC 數值模擬軟件研究不同保護煤柱寬度條件下的煤柱變形、垂直應力分布、裂隙分布情況，確定合理煤柱寬度，為3上1112 工作面回風順槽支護設計提供理論基礎。

根據3上1112 工作面和巷道的空間位置關系及工程地質條件建立三維數據模型，模型：巷道埋深260 m，長度200 m，寬度45.6 m，側壓系數1.0，巷道斷面尺寸4.0 m×4.0 m。數值模擬主要選取留設煤柱寬度分別為3 m、5 m、15 m、25 m 和35 m五種情況。

2.2 不同寬度煤柱模擬結果分析

2.2.1 煤柱變形特征分析

根據UDEC 數值模擬結果，繪制不同護巷煤柱寬度時煤柱變形曲線如圖1。

從圖1 數據知，當護巷煤柱寬度從3 m、5 m、15 m、25 m、35 m 數值增大時，掘進期間煤柱承載能力呈逐漸增大、煤柱變形量呈逐漸降低的規律。區段煤柱為3 m 時，采空區側煤柱變形量最大達650 mm，巷道側煤柱變形量最大達390 mm，煤柱承載能力低下；區段煤柱為5 m 時，采空區側煤柱變形量最大達420 mm，巷道側煤柱變形量最大達460 mm，煤柱有一定承載能力；區段煤柱為15 m 時，采空區側煤柱變形量最大達170 mm，巷道側煤柱變形量最大達120 mm，煤柱承載能力較強，承載能力提升明顯，煤柱變形量處于120～170 mm，巷道圍巖變形量得到了有效的控制；區段煤柱為25 m 和35 m 時，采空區側煤柱變形量最大分別為62 mm、52 mm，巷道側煤柱變形量最大分別為82 mm、72 mm，煤柱兩側的變形量較小，巷道圍巖穩定，煤柱承載能力非常理想。

圖1 不同護巷煤柱寬度時煤柱變形曲線

2.2.2 煤柱內應力和裂隙分布特征

數值模擬得出不同護巷煤柱寬度時垂直應力分布及煤柱內裂隙分布情況如圖2。

圖2 不同護巷煤柱寬度下煤柱垂直應力及裂隙分布圖

分析圖2（a）不同護巷煤柱寬度時垂直應力分布曲線可知，當護巷煤柱寬度從3 m、5 m、15 m、25 m、35 m 數值增大時，煤柱內最大垂直應力呈先增大后減小趨勢。煤柱寬度為15 m 時，煤柱內最大垂直應力達到最大值23 MPa，煤柱區出現應力集中現象，煤柱壓入底板，發生層狀或拱形冒落，煤柱穩定差；護巷煤柱寬度從15 m 增加到25 m 的過程中，煤柱內最大垂直應力開始逐漸減小；護巷煤柱寬度從25 m 增加到35 m 的過程中，煤柱內最大垂直應力減小幅度降低。根據煤柱內最大垂直應力的變化情況來看，當護巷煤柱寬度在25 m 時較為合理，煤柱內最大垂直應力符合施工實際。

分析圖2（b）不同護巷煤柱寬度時煤柱內裂隙分布曲線可知，當護巷煤柱寬度從3 m、5 m、15 m、25 m、35 m 數值增大時，掘進期間煤柱內“閉合裂隙”（裂隙不貫通區域）長度呈逐漸增大規律。當區段煤柱為3 m 時，煤柱幾乎無“閉合裂隙”區域，煤柱“閉合裂隙”區域幾乎為0，煤柱無承載能力；當區段煤柱為5 m 時，煤柱“閉合裂隙”區域約為1 m，煤柱有部分承載能力；當區段煤柱為15 m 時，煤柱“閉合裂隙”區域約為7.9 m，裂隙不貫通區域較大，煤柱有一定的承載能力；當區段煤柱為25 m 時，煤柱“閉合裂隙”區域約為13.9 m，煤柱有好的承載能力；當區段煤柱為35 m 時，煤柱“閉合裂隙”區域約為25.1 m，煤柱有相當理想的承載能力。

綜合3上1112 工作面回風順槽沿空掘巷在不同護巷煤柱寬度時煤柱變形、垂直應力分布、裂隙分布特征可知：當護巷煤柱寬度為25 m 和35 m 時，煤柱內垂直應力最大值較小，能有效地保障巷道圍巖的穩定；結合裂隙閉合區寬度分析可知煤柱寬度應設定在25 m 以上。綜合煤炭開采的經濟效益，確定3上1112 工作面回風順槽沿空掘巷合理的護巷煤柱寬度為25 m。

3 巷道支護技術研究

3.1 支護方案

基于地質條件設計了該巷道采用錨網索支護方案，如圖3。

圖3 3上1112 回風順槽支護方案圖（mm）

（1）頂板控制。采用Ф20 mm 型左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，材料CRM600 號鋼，長2100 mm，間排距1100 mm×1000 mm，錨固力不小于60 kN，預緊扭矩不低于250 N·m，樹脂藥卷規格：MSCK2335 一支和MSZ2360 一支； 采用Ф17.8 mm×6300 mm錨索，排距2000 mm，菱形金屬網護頂。

（2）兩幫控制。采用Ф20 mm 型左旋無縱筋等強螺紋鋼錨桿，材料CRM600 號鋼，長2100 mm，間排距1100 mm×1000 mm，錨固力不小于60 kN，預緊扭矩不低于250 N·m，樹脂藥卷規格：MSCK2335一支和MSZ2360一支，菱形金屬網護頂。

3.2 效果分析

在3上1112 回風順槽掘進期間，進行了表面位移監測，根據監測數據得出圍巖變形量曲線圖如圖4。

圖4 3上1112 回風順槽掘進期間圍巖變形量曲線圖

從圖4 數據可知，3上1112 回風順槽掘進期間，滯后掘進迎頭0～40 m 范圍內巷道圍巖變形量較大，呈現增長趨勢；滯后掘進迎頭40 m 后，巷道圍巖變形量增大趨勢迅速降低；掘進至迎頭60 m 時處于穩定狀態，最大頂底板移近量為39 mm，最大兩幫移近量為101 mm。

4 結語

根據高莊煤礦3上1112 回風順槽圍巖的地質條件，采用UDEC 數值模擬軟件確定了合理的護巷煤柱寬度為25 m，設計了巷道錨網索支護方案。表面位移監測數據表明，3上1112 回風順槽巷道圍巖頂底板和兩幫變形量較小，可有效保障巷道掘進安全。