沿空掘巷預留煤柱寬度及支護方案的優化設計研究

摘 要：煤柱留設寬度和位置合理與否，直接關系到本層位煤層在回采過程中煤柱受力狀態，所選擇的巷道支護方式對巷道圍巖的穩定性有決定性的影響。本文通過數值模擬，計算優化確定了預留煤柱的合理范圍以及巷道錨桿支護方案與具體參數。

關鍵詞：煤柱 數值模擬 支護 應力 位移

中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0061-05

煤柱寬度是綜采沿空巷道布置系統中最重要的方面，煤柱寬度對巷道圍巖穩定性的影響體現在兩方面：一是煤柱寬度決定了沿空巷道的布置位置，從而決定了沿空巷道的整體應力狀態；二是煤柱寬度影響著護巷煤柱的穩定性，進而直接影響著巷道的整體穩定性。合理的支護方案，不僅可以增加巷道圍巖的穩定性，從而為礦井的正常生產提供保障，還可以節約大量的支護材料費用。

新橋煤礦2203膠帶順槽為沿空巷道，2203工作面下相鄰的2201工作面已開采完畢。

1 沿空掘巷預留煤柱合理寬度的確定

為大致確定煤柱的合理寬度，在煤柱中部沿煤壁向內設置監測線，如圖1所示，按埋深550 m估算，該處垂直原巖應力約14～15 MPa左右，水平原巖應力8～9 MPa左右，相鄰工作面開采結束后，煤柱內垂直應力集中區分布大致為：0～6 m范圍為應力增高區，7～14 m范圍為峰值應力區，煤柱內垂直應力峰值位置距煤壁距離約1 2 m左右，應力峰值近25 MPa，垂直應力集中系數達到1.9，15～20 m為應力降低區，16 m以后應力明顯較低，21 m以后應力水平接近原巖應力。水平應力分布狀況近煤壁處變化劇烈，且整體水平應力相對較小，約20 m后恢復到原巖應力，如圖2所示，這種應力狀態與煤層傾角和采空區位置有關。

結合煤柱內部監測線應力分布狀況，煤柱的合理寬度應該在3～5 m。現分別研究煤柱寬度為2.5 m、3.5 m、4.5 m、5.5 m時沿空巷道圍巖穩定性及應力分布狀況。計算機模擬上述煤柱寬度下的巷道圍巖應力分布和位移場，如圖3～4。

由圖4可以看出，高應力區距巷道都比較遠，且此類型巷道的應力集中區主要分布在巷道左上角和右下角，方案設計時應給予考慮。當煤柱寬度為2.5 m時，巷道圍巖應力集中，巷道整體變形十分嚴重，煤柱相當不穩定，不利于支護和安全生產。而煤柱寬度為3.5 m、4.5 m和5.5 m時，巷道應力較小，巷道變形不明顯，且變形量相差不多，煤柱完整性好，利于支護和安全生產。

綜上所述，考慮經濟合理性和較高的采出率兩個因素，確定煤柱寬度為3～4 m。

2 沿空掘巷支護方案的優化設計

選擇兩種支護方案，然后通過數值模擬，比較回采期間不同支護方案效果。

方案一（基本設計）。

（1）巷道頂板采用5根高強樹脂錨桿加3.8 m長M4型鋼帶、菱形金屬網聯合支護，錨桿規格為Φ20×2200 mm，每根錨桿采用兩節ZK2335型樹脂藥卷加長錨固；錨桿間距850 mm，排距800 mm。錨桿預緊力不小于50 kN，錨固力不小于120 kN。

（2）巷道高幫采用5根高強樹脂錨桿加1.8 m長M4型鋼帶、菱形金屬網聯合支護，錨桿規格為Φ18×2000 mm。每根錨桿采用兩節ZK2550型樹脂藥卷加長錨固；錨桿間距為800 mm，排距均為800 mm。錨桿預緊力不小于50 kN，錨固力不小于100 kN。

（3）巷道低幫采用3根高強樹脂錨桿加1.8 m長M4型鋼帶、鋼筋網聯合支護，錨桿規格為Φ18×2400 mm，每根錨桿采托盤，在用兩節ZK2550型樹脂藥卷加長錨固；錨桿間距750 mm，排距800 mm。錨桿預緊力不小于50 kN，錨固力不小于100 kN。

（4）頂板錨索按隔一行的五花布置，鋼絞線規格為Φ17.8×6.3 m，錨索托盤采用與M4型鋼帶配套的M型，在托盤與索具間加一平墊板。每孔采用四節ZK23350樹脂藥卷加長錨固，以保證錨固效果。錨索預緊力不低于80 kN，錨固力不低于150 kN。

（5）每兩排鋼帶中間位置布置一套高預應力縱向桁架系統，鋼絞線規格為Φ17.8×6.3 m，槽鋼梁規格為14#、長2.2 m、兩眼孔距1.6 m，桁架兩根鋼絞線分別穿過槽鋼梁兩頭的眼孔，槽鋼梁下眼孔距底板300 mm，槽鋼梁平行幫部鋼帶鋪設，分別向頂帶45°、底30°角施工于巷幫圍巖中，上眼深4.5 m，下眼深3.0 m，鋼絞線外露部分通過專用鎖具張拉固定于幫部槽鋼梁。桁架鋼絞線每孔采用四支ZK2550樹脂藥卷加長錨固，以保證錨固效果；桁架排距為1.6 m，預緊力不低于80 kN，錨固力不低于120 kN。幫部桁架距迎頭不大于10 m安裝。

方案二（除去桁架和幫部鋼帶）。

（1）巷道頂板采用5根高強樹脂錨桿加3.5 m長M4型鋼帶、菱形金屬網聯合支護，錨桿規格為Φ20×2200 mm，每根錨桿采用兩節ZK2550型樹脂藥卷加長錨固；錨桿間距700 mm，排距800 mm。錨桿預緊力不小于50 kN，錨固力不小于200 kN。

（2）巷道高幫采用5根高強樹脂錨桿，菱形金屬網聯合支護，錨桿規格為Φ18×2000 mm。每根錨桿采用兩節ZK2550型樹脂藥卷加長錨固；錨桿間距為700 mm，排距均為800 mm。錨桿預緊力不小于50 kN，錨固力不小于200 kN。

（3）巷道低幫采用3根高強樹脂錨桿，鋼筋網聯合支護，錨桿規格為Φ20×2400 mm，每根錨桿采用兩節ZK2550型樹脂藥卷加長錨固；錨桿間距700 mm，排距800 mm。錨桿預緊力不小于50 kN，錨固力不小于200 kN。

（4）頂板錨索每兩行一根，鋼絞線規格為Φ17.8×6.3 m，錨索托盤采用400×200×10 mm大鐵托盤。每孔采用四節ZK2550樹脂藥卷加長錨固，以保證錨固效果。錨索預緊力不低于80 kN，錨固力不低于250 kN。

當留巷煤柱寬度為3.5 m時，對上述2種支護方案進行模擬，得出掘進期間巷道圍巖水平應力分布、垂直應力分布和位移場分布如圖5～7。

從圖7中分析可以得出以下結論：（1）回采期間，兩種種支護方案下的巷道圍巖水平應力在28～33 MPa左右，垂直應力在55～60 MPa左右，應力顯著增加，應力主要集中在巷道左上角和右下角。（2）回采期間，方案一支護下的巷道圍巖變形量較小，方案二由于又去掉了幫部鋼帶，兩幫位移量明顯增加，進一步影響巷道的頂、底，使頂、底位移量增加。（3）綜合上面兩條結論可以認為，回采期間由于圍巖應力的急劇增加，由方案二支護的巷道變形量已經影響到安全生產，因此建議采用方案一設計進行支護。

3 結論

經過數值模擬分析和計算，并考慮經濟合理性和回采率等實際因素，得到2203沿空掘巷合理的煤柱寬度為3～4 m，最后現場實際留設煤柱寬度為3.5 m。經過兩種支護方案的數值模擬分析和計算，并考慮到與現場的差異，最后確定采用方案一進行本試驗巷道的支護設計，即采用高強樹脂錨桿、高預緊力錨索、M4型鋼帶加金屬網聯合控制巷道頂板；高強樹脂錨桿、M4型鋼帶、雙抗網與菱形金屬網聯合支護巷道兩幫，沿空煤柱側附加采用預應力桁架控制煤幫穩定與變形。