綜放面合理護巷煤柱寬度確定與回采巷道支護方案設計

朱志潔，張宏偉，陳 鎣，張海峰，陳雄山

(1.遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧阜新 123000;2.內蒙古伊泰煤炭股份有限公司陽灣溝煤礦，內蒙古鄂爾多斯 010400)

0引言

相鄰兩工作面同時回采時，兩工作面側向支承壓力和超前支承壓力必然形成疊加，從而支承壓力的分布范圍和峰值增大，此時護巷煤柱的穩定性決定臨近回采巷道的穩定性［1］。本文以陽灣溝煤礦為實例，通過理論計算和數值模擬，分析了不同寬度煤柱的穩定性，確定合理的煤柱尺寸［2-11］。同時，由于該礦部分回采巷道上方存在歷史遺留下來的房采采空區，巷道頂板完整性較差，給巷道維護帶來很大困難。針對不同頂板條件下回采巷道，設計不同的支護方案，通過數值模擬等手段，研究不同支護條件下巷道頂板的受力狀態，對其合理性進行驗證。

1 地質概況

陽灣溝煤礦6203工作面位于井田的西南，開采煤層為6號煤層。6203工作面布置在原6201、6202采空區的下方，推進總長度為345m，其中采空區下推進長度213m，非采空區下推進長度為132m。6203工作面運輸順槽長578 m，切眼長度約150m，均采用錨網、錨索聯合支護，已施工完畢。6203工作面回風順槽正待掘進。

2 合理煤柱尺寸的確定

2.1 理論計算確定煤柱寬度

煤柱極限平衡區的寬度［12］為:

式中:x——煤柱極限平衡區的寬度;

m——煤柱高度;

H——平均采深;

φ0——煤層的內摩擦角;

γ——巖層的平均容重;

A——測壓系數;

ρ——采區采出率;

D——損傷因子。

圖1 工作面布置平面圖Fig.1 Layout of coal face

為了保證煤柱在工作面回采過程保持穩定，煤柱內要存在一定的核區率，回采過程煤柱兩側同時存在極限平衡區，因此有:

式中:μ——煤柱核區率;

B——煤柱設計寬度。

因此可得到:

根據陽灣溝礦提供的地質資料以及前期開展的地質力學測試成果，可知煤柱高度3m，平均采深180m，煤層的內摩擦角30°，煤層的內聚力0.8MPa，巖層平均容重2.5kN/m3，側壓系數1.3，煤炭采出率0.76，損傷因子2.5，煤柱核區率0.7。把上述參數代入公式(3)，得到護巷煤柱尺寸:B＞22.5。考慮到計算公式中某些參數選擇只是憑借工程類比或者經驗給出，選擇煤柱尺寸要略大于計算得出的值，因而根據理論計算護巷煤柱寬度取25m。

2.1 數值模擬確定煤柱寬度

根據6203工作面及其鄰近工作面的基本情況，利用FLAC3D數值模擬軟件分別模擬10m、20m、30m與40m煤柱一側采空時，煤柱的塑性區分布及垂直力分布情況，根據模擬結果確定煤柱的合理寬度。圖2為數值計算力學模型，表1為數值計算各巖層的物理力學參數。結合鄰近礦井地應力測量結果，計算模型邊界載荷條件如下:模型X軸方向施加3.5～1.3MPa的梯度應力;模型Y軸方向施加6.4～2.3MPa的梯度應力;模型Z軸方向施加5.0～1.8MPa的梯度應力，模型上部施加1.8MPa的等效載荷，Z軸方向設定自重載荷(圖2)。

圖2 數值計算力學模型Fig.2 Computational mechanics model1-砂巖;2-泥巖;3-煤層

表1 煤巖力學參數Table 1 Coal rock mechanical parameters

圖3為一側采空時不同寬度煤柱彈塑性區分布情況(僅截取煤柱部分)，由圖得出如下結論:

圖3 不同煤柱寬度圍巖彈塑性區分布Fig.3 Elastic-plastic area deformation in different coal pillars

寬度較小的煤柱(10m)，采空區側與巷道側的塑性區貫通，分布于整個煤柱，煤柱內沒有彈性核區存在，整個煤柱受到破壞，煤柱處于失穩狀態;隨著煤柱寬度增加，煤柱內塑性區范圍減小。20m煤柱時，采空區側的塑性區寬度為9m，巷道側為3m。煤柱中開始出現了彈性核區，寬度為8m，煤柱內存在沒有受到破壞的區域，煤柱能夠保持穩定;煤柱寬度繼續增大后(30m、40m)，煤柱內塑性區的范圍基本不變，彈性區漸漸增大。模擬表明煤柱的寬度存在臨界值，超過臨界值后雖然煤柱更加穩定，有利于巷道的維護，但增加了煤炭資源的損失。

圖4、圖5為一側采空時不同寬度煤柱的垂直應力分布情況，由圖可知:當煤柱寬度較小(10m)時，由采空區及巷道在圍巖中形成的應力集中區域相互疊加，煤柱整體承受較大的應力作用，不利于煤柱的穩定;隨著煤柱寬度增加(20m、30m、40m)，在煤柱中存在由采空區及巷道各自形成的應力集中區，但應力峰值在不斷減小。當煤柱寬度為10m、20m時，煤柱中應力曲線為單峰曲線，應力峰值分別為10.4MPa、12MPa;隨著煤柱寬度繼續增加，應力曲線轉變為雙峰曲線，30m和40m煤柱右側應力峰值分別為9.1MPa和8.2MPa，應力變化平緩;煤柱上的整體應力水平在下降，煤柱受力更加均勻。

圖4 不同寬度煤柱圍巖垂直應力分布Fig.4 Vertical stress deformation in different coal pillars

圖5 煤柱應力分布曲線Fig.5 Vertical stress distribution curve in different coal pillars

從煤柱塑性區情況來看，隨著煤柱寬度的增加，煤柱中彈性核區的寬度不斷增加，煤柱趨于穩定;從應力分布情況來看，隨著煤柱寬度的增加，煤柱應力集中程度降低，煤柱應力曲線由單峰分布轉變為雙峰分布，煤柱受力更加均勻。考慮回采安全，兼顧煤炭資源回采率，確定煤柱的合理寬度為25～30m。

通過理論計算和數值模擬確定了煤柱尺寸，二者計算結果相互吻合。最終確定合理的煤柱尺寸不小于25m。

3 回采巷道支護方案設計

通過前文分析，確定合理煤柱尺寸不小于25m，在這樣的巷道圍巖應力和塑性區的條件下，對巷道進行支護方案設計。由于6203工作面部分處在采空區下方，頂板圍巖狀態受上部采空區影響明顯。因此回采巷道需根據不同的頂板條件制定不同的支護方案。

3.1 回采巷道支護方案確定

6203工作面回風順槽布置在原6201、6202采空區的下方，巷頂距采空區底板間距為3～5m，上部采空區開采引起的底煤破壞使6203回風順槽在掘進與回采期間圍巖都不易維護，對于破碎嚴重的局部區域，掘進時可能會出現冒頂，針對此情況，要對巷道進行補強支護并且要對巷道上方破碎的煤體進行加固［13-14］。根據6203回風順槽不同區域的地質條件，確定其支護方案分為兩種情況，第一種情況為巷道上方為實體煤;第二種情況為巷道上方存在采空區。

支護參數見表2和圖6。

表2 支護方案參數Table 2 Parameters of supporting schemes

圖6 方案支護斷面圖Fig.6 Support sectional drawing of supporting schemes

3.2 回采巷道支護效果數值模擬分析

通過數值模擬對兩種支護方案進行驗證，采用cable單元模擬錨桿，beam單元模擬工字鋼棚，shell單元模擬金屬網噴漿。各個結構單元參數見表3～表5。

表3 cable單元的計算參數Table 3 Parameters of cable

表4 beam單元的計算參數Table 4 Parameters of beam

表5 shell單元的計算參數Table 5 Parameters of shell

圖7和圖8為第一種情況(巷道上方為實體煤)巷道周圍和頂板的垂直應力剖面圖。由圖7可知，錨桿形成的應力區相互疊加，形成有效壓應力區，并連成一體，形成整體支護結構。在頂板和兩幫形成厚度較大、分布比較均勻的壓應力區，兩幫壓應力區應力值為3.5～5MPa，頂板壓應力區應力值為1.5～2MPa，形成的壓應力區覆蓋了錨固區的大多數面積，錨桿預應力擴散與疊加效果明顯。

由圖8可知，巷道頂板0.3m處，在錨桿處有效壓應力區呈圓形梯度分布，應力值2～4.5MPa，彼此相互連接，形成連續的有效壓應力帶，預應力擴散范圍大;在梯形棚子處，形成應力均勻帶狀低應力區域，其應力值為0.15～0.5MPa。

圖7 巷道垂直應力剖面圖(第一種情況)Fig.7 Vertical stress sectional drawing of roadway(the first case)

圖8 頂板0.3m深處垂直應力平面圖(第一種情況)Fig.8 Vertical stress sectional drawing in roof 0.3m(the first case)

圖9和圖10為第二種情況(巷道上方存在采空區)巷道圍巖垂直應力剖面圖。由圖9可知，兩幫錨桿形成的應力區相互疊加，形成有效壓應力區，兩幫壓應力區應力值為3～4.5MPa，形成的壓應力區覆蓋了錨固區的大多數面積。由圖10可知，工字鋼棚兩端的頂板應力值較高，集中明顯，應力值5MPa;中間為低應力區域，應力趨于穩定，應力值1MPa。兩架工字鋼棚之間的頂板整體處在低應力狀態，在棚與棚之間存在一個橢圓形的低應力區，在巷道兩邊形成了類似于鋸齒狀的應力變化區域。

圖9 巷道垂直應力剖面圖(第二種情況)Fig.9 Vertical stress sectional drawing of roadway(the second case)

圖10 頂板0.3m深處垂直應力平面圖(第二種情況)Fig.10 Vertical stress sectional drawing in roof 0.3m(the second case)

支護方案在控制巷道圍巖變形方面的對比見表6。

表6 支護方案控制圍巖變形對比Table 6 Deformation of surrounding rock of supporting schemes

通過以上分析可知，當巷道上方為實體煤時巷道最易維護，在錨桿、錨索聯合支護下，巷道受力均勻，圍巖變形小;當巷道上方存在采空區時，采用架棚+錨桿支護對圍巖變形起到了有效控制，且支護密度的提高使支護效果更為明顯。兩支護方案是合理的，能夠有效的控制圍巖的變形與破壞，現場施工中，應根據不同的頂板情況采取相應的支護方案。

4 結論

(1)根據陽灣溝礦地質資料，通過數值模擬分析了護巷煤柱寬度為10m，20m，30m和40m條件下煤柱垂直應力和彈塑性區分布特點，結合理論計算，考慮回采安全，兼顧煤炭資源回采率，最終確定合理護巷煤柱寬度不小于25m。

(2)針對回風順槽不同的頂板狀態，設計了支護方案，分析了不同支護狀態下的應力和位移分布，得出支護方案是合理的，能夠有效的控制圍巖的變形與破壞。

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