傾斜煤層煤柱合理留設寬度及支護研究

褚永紅

（山西煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司， 山西 臨汾 041204）

引言

煤炭資源是我國主要的能源形式，隨著開采年限的不斷增加，緩傾斜煤層儲量大幅度降低，目前我國開采的重點逐步向著傾斜煤層轉移。在進行傾斜煤層開采過程中，由于煤層傾角較大，造成巷道圍巖應力分布較為復雜，圍巖的破壞程度較大，所以安全高效開采大傾角煤層十分重要。現階段為了保證巷道穩定性，通常增設護巷煤柱，以此保證巷道穩定性，但隨著開采深度的不斷加大，煤柱的寬度逐步增加，嚴重降低了礦井采出率，所以煤柱合理留設寬度也是傾斜煤層安全開采的重要前提。本文利用數值模擬軟件對傾斜煤層合理留設寬度進行研究，為礦井安全高效開采提供一定的參考及借鑒。

1 某礦3103 工作面介紹及模型建立

某礦二采區5 號煤層高度在+2183～+2222 m（高差39 m）之間，礦區高山溝壑，沒有建筑物。5 號煤層從東到西分布長而狹窄，西部、南部地勢較高，東部、北部地勢相對較低。3103 工作面位于二礦區5煤層中，上覆煤層4 號已經開采完畢，下覆煤層6 號仍處于開采中。5 號煤層位于3103 工作面的上部是3102 工作面的采空區，煤層厚度為6 m，煤層傾角為44°，煤層的平均埋深為200 m。在實際開采中，使用綜采機一次采全高技術，工作面傾斜和走向長度分別為100 m、1000 m。

對大傾角煤層煤柱留設合理寬度進行數值模擬研究，大傾角巷道的斷面形式一般有梯形、拱形、矩形、多邊形等，考慮到實際的地質情況后對不同斷面形式下的巷道穩定性進行分析，分別對沿頂煤矩形斷面、沿頂煤弧形斷面、沿頂煤多邊形斷面、煤層中位矩形斷面和沿底板矩形形斷面進行模擬研究，首先進行模擬模型的建立，模型的長寬高分別為170 m×60 m×172 m，對模型的網格進行劃分，在模型網格劃分時，需要考慮模擬計算時間及云圖精確性，所以本文對巷道近端進行細化分，在模型的遠端進行粗劃分，在保證精度的前提下確保電腦計算運行時間最短。完成網格劃分后對模型的邊界進行約束設置，在模型的下、左右、前后分別設定固定約束，避免模型整體出現位移，在模型的頂端施加覆巖自重，經過計算施加自重4 MPa，模型采用摩爾-庫倫屈服準則。完成模型設定后對模型進行計算[1-2]。

2 數值模擬計算

分別對大傾角巷道的五種斷面形式進行模擬分析，由于版面問題，本文僅展示沿頂煤矩形斷面模擬云圖如圖1 所示。

從圖1 可以看出，沿頂煤掘進弧形巷道整體應力分布較為均勻，頂板的垂直應力分布較為連續，在模型的弱面位置應力隔離較為明顯，在沿著頂煤掘進過程中，頂板受到采掘影響較小，側向支撐壓力影響區域較大，巷道的應力集中系數2.2，整體應力較為可控，沿頂煤掘進矩形巷道較為合理。觀察沿頂煤掘進弧形巷道圍巖變形云圖，整體圍巖變形從小到大分別為煤柱煤幫位移量、實體煤幫位移量、底鼓量、頂板下沉量，整體應變分布較為均勻，復合頂板下沉量為271 mm，底鼓量變形量為390 mm，實體煤幫位移為275 mm，煤柱幫位移量為178 mm，整體屬于五種矩形斷面布置下位移量綜合最為合理的情況，所以本文選定沿頂煤弧形斷面巷道布置形式。

確定了巷道的斷面形式后，對巷道的合理留設寬度進行分析，影響巷道煤柱留設寬度的主要因素有煤層傾角、巷道埋深等，對不同煤柱寬度下煤柱內部應力分布情況進行分析，不同煤柱寬度下煤柱內部垂直應力分布曲線如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度下煤柱內部垂直應力分布曲線

從圖2 中可以看出，不同煤柱寬度下煤柱內部垂直應力分布呈現相同的趨勢，均為先增大后減小，在煤柱左幫位置的垂直應力增長趨勢大于右幫，不同煤柱寬度下煤柱的應力峰值出現的位置均在煤柱的中間部位。隨著煤柱寬度的增大，巷道煤柱的垂直應力值呈現逐步增大的趨勢，當煤柱寬度為3 m 時，此時煤柱內部垂直應力峰值在距離采空區1.8 m 的位置出現最大值，最大值為3.9 MPa。當煤柱寬度增大至8 m 時，此時的巷道垂直應力最大值出現的位置在距離采空區3 m 的位置，垂直應力最大值為13.8 MPa。對比可以看出，當煤柱寬度小于4 m 時，此時的煤柱內部應力峰值明顯小于原巖應力值，此時的煤柱承載能力較低，當煤柱寬度增大至5 m 時，此時的煤柱內部穩定區距離煤幫較遠，對于錨桿的錨固較為困難，當煤柱寬度大于6 m 時，此時的煤柱內部應力峰值明顯大于巷道的原巖應力，此時穩定區域逐步向著巷道煤幫位置轉移，此時對巷道錨桿支護較為有利，可以看出，合理的煤柱留設寬度應當大于6 m。

對不同煤柱寬度下巷道的水平應力分布情況進行分析，選定煤柱寬度為3～8 m，在煤柱內部布設一條位移監測線，不同煤柱寬度下煤柱位移分布曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，不同煤柱寬度下煤柱水平位移曲線呈現出非對稱的情況，當煤柱寬度為3 m 時，此時煤柱左幫位移量為-150 mm，煤柱右幫位移量為90 mm，所以煤柱兩幫變形量為240 mm；當煤柱寬度為6 m 時，此時的煤柱左幫位移量為-75 mm，煤柱右幫位移量為40 mm，所以煤柱兩幫變形量為110 mm；而當煤柱寬度為8 m 時，此時的煤柱左幫位移量為-60 mm，煤柱右幫位移量為20 mm，所以煤柱兩幫變形量為80 mm。可以看出，隨著煤柱寬度的增大，煤柱左右端的位移量呈現出逐步降低的趨勢，但降低的趨勢逐步減小，在煤柱寬度小于6 m 時，此時煤柱左右端位移量下降趨勢較大，而當煤柱寬度大于6 m 時，此時的煤柱兩端位移量下降趨勢逐步降低。同時通過對比發現煤柱左幫變形量明顯大于右幫變形量，這是由于煤柱左幫應力較大，在考慮煤柱變形及經濟效益后，確定合理的煤柱寬度為6 m。

圖3 不同煤柱寬度下煤柱位移分布

在煤柱留設寬度6 m 下的支護方案，頂板支護：桿體為直徑22 mm 螺紋鋼錨桿，屈服強度不低于400 MPa，長度2400 mm，桿尾螺紋為M24。采用樹脂加長錨固，采用2 支CK2340 樹脂錨固劑，鉆頭直徑30 mm，鉆孔直徑為31 mm，錨固長度887 mm。同時采用高強錨桿螺母M24，托板采用方形帶拱托板，托板尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，托板高度不低于36 mm，鋼號不低于Q235，配套調心球墊和減摩墊圈。錨桿間距900 mm，每排6 根錨桿，排距1000 mm；錨桿預緊扭矩不低于300 N·m，設計錨固力不低于150 kN。

兩幫支護桿體為直徑20 mm，玻璃鋼錨桿長度2200 mm，抗拉強度大于等于300 MPa。錨桿間排距為1000 mm、1000 mm，距頂300 mm，巷幫角錨桿與巷道頂板成75°夾角，其他垂直巷道壁，每排4 根。錨固方式：樹脂加長錨固，鉆頭直徑30 mm，采用一支規格為CK2360 樹脂錨固劑。錨桿錨固力不小于70 kN，預緊扭矩不得小于40 N·m[3-4]。

煤柱幫：錨桿桿體為直徑22 mm 左旋螺紋鋼錨桿，屈服強度不低于400 MPa，長度2400 mm。錨桿間排距為1000 mm、1000 mm，每排4 根，距頂300 mm，與巷道頂板成65°夾角，其余均與煤壁垂直。具體支護斷面如下頁圖4 所示。

圖4 巷道支護斷面圖（單位：mm）

3 結論

1）分別對沿頂煤矩形斷面、沿頂煤弧形斷面、沿頂煤多邊形斷面、煤層中位矩形斷面和沿底板矩形形斷面進行模擬研究，確定最佳斷面形式為沿頂煤弧形斷面。

2）不同煤柱寬度下煤柱內部垂直應力分布呈現相同的趨勢，均為先增大后減小，在煤柱左幫位置的垂直應力增長趨勢大于右幫，最佳煤柱寬度為6 m。

3）隨著煤柱寬度的增大煤柱左右端的位移量呈現出逐步降低的趨勢，且煤柱左幫變形量明顯大于右幫變形量。