礦井合理煤柱寬度確定與巷道支護技術研究

楊龍龍

摘要：合理的護巷煤柱寬度及支護參數對提升礦井的煤炭采收率及保證巷道的安全都具有重要的意義。文中以2603回采工作面回風巷掘進為工程背景，采用數值模擬技術手段對不同的煤柱寬度進行模擬分析，在確定合理煤柱為25m的情況下，對巷道的支護參數進行設計，結果表明采用的護巷煤柱寬度及巷道支護參數可以對2603回風巷的安全使用。

關鍵詞：煤柱寬度;巷道支護;圍巖變形

一般情況下，我國礦井巷道采用煤柱對巷道進行保護，煤柱寬度過大時，會導致寶貴的煤炭資源造成浪費，煤柱寬度過小時，會導致巷道出現較大的變形，影響回采工作面的正常推進，因此，加大對護巷煤柱留設寬度的研究，并合理進行巷道的支護設計對保證礦井安全高效生產具有重要意義。文中以山西某礦2803回采工作面為工程背景，采用數值模擬手段對合理煤柱寬度進行分析，并根據巷道具體地質情況對巷道進行了支護設計。

1工程概況

山西某礦2803回采工作面位于礦井東南側二采區，開采8號煤層，煤層的平均厚度為3.6m。2803回采面東側為已經開采完畢的2801回采面采空區，西側為實體煤，南惻為井田邊界，北側為二采區主要運輸巷。設計的2803回采面走向長度為870m，傾斜長度為186m。采用錨桿、錨索聯合支護，現2803 工作面回風巷正待掘進。8號煤層的頂板為厚度為3m的泥巖，老頂是厚度在25m的中砂巖;煤層底板為厚度在2m的砂質泥巖，直接底為厚度在14m的細砂巖。

2模擬分析

根據2803回采工作面及鄰近的回采面護巷煤柱的留設寬度，利用FLAC模擬軟件對lOm、20m、30m、40m等不同情況下煤柱寬度進行分析，對煤柱內的應力分布、塑形變形情況進行分析，從而合理的確定煤柱的留設寬度。根據回采工作面的實際情況，在建立的數值模擬模型中上部施加5MPa垂直應力，固定模型的下部，左、右側邊界。建立的數值模擬模型如圖1所示。

2.1塑形區分析

當采用lOm護巷煤柱時，煤柱內部的塑性區全部貫通，煤柱中間未存在有彈性區，煤柱整體遭到破壞，煤柱整體穩定性較差，隨著護巷煤柱寬度的不斷增加，煤柱的整體穩定性有所增加;當護巷煤柱寬度為20m時，在靠近2601回采工作面采空區側煤柱的塑性區寬度約為8.5m，護巷煤柱內部存在有一定寬度的彈性區，煤柱能夠保持整體為穩定;當護巷煤柱寬度為30-40m時，護巷煤柱內在2601采空區側塑性區及開采巷道側的塑性區寬度基本保持不變，煤柱中部的彈性區范圍不斷增加。根據數值模擬結果，護巷煤柱寬度超過一定值之后，煤柱寬度的增加并不能有效的增加開采巷道的穩定性，但是會造成煤炭資源的浪費。

2.2應力分析

從數值模擬結果可以看出，當采用護巷煤柱寬度為lOm時，回采工作面側面采空區造成的應力集中與巷道開采造成的應力集中出現重疊，煤柱承受較大的支撐壓力，不利于護巷煤柱的整體穩定，隨著護巷煤柱寬度的不斷增加（ 20m、30m、40m），在護巷煤柱中形成由于采空區以及巷道開采引起的應力集中，各位于護巷煤柱兩側，巷道內部應力峰值不斷減小。當護巷煤柱寬度為10-20m時，在護巷煤柱中存在由2601回采面采空區以及2603進風巷巷道掘進的應力集中值，應力集中峰值大小分別為10.6MPa以及12.4MPa，隨著護巷煤柱寬度的增加，煤柱內的應力分布曲線由單峰狀變成雙峰狀，護巷煤柱內部的應力峰值分別在9.3MPa以及8.4MPa.煤柱內的應力變化較為平緩，煤柱中的應力峰值降低，煤柱的整體受力更趨于均勻。具體如圖2所示。

3巷道支護設計

通過模擬分析可以知道，2603回采面合理的巷道合理的寬度不應小于25m，在這樣的寬度下，護巷煤柱內的塑性區分布及應力分布均較合理，因此，在25m煤柱寬度時對巷道進行支護設計。2603回風巷位于2601回采面采空區下側，巷道頂板受到采空區側向壓力作用明顯。

2603回風巷位于2601回采面采空區下方，巷道頂板位置距離采空區頂板距離在Sm左右，受到鄰近回采的動壓影響，2603回風巷將會出現較大的底鼓及頂板變形，局部區域容易破碎，巷道支護較為困難。針對上述情況，需要對2603回風巷進行補強支護，采用的具體支護方式為：錨桿+T字鋼+金屬網+噴漿的聯合支護方式，錨桿的支護間排距均為900mm，采用的錨桿直徑為18mm，長度在2lOOmm。

通過模擬方式對采用的巷道支護參數進行分析，采用錨桿支護后施加預應力造成的應力疊加區出現疊加，并將錨桿支護區域形成一個連續的整體，在支護空間形成整體的支護結構。在巷道的頂板以及兩幫區域內，均產生一定厚度，范圍較大的壓應力區，頂板處形成的壓應力區在2MPa，在巷道兩幫形成的壓應力區的大小在4MPa左右，巷道支護形成的壓應力區范圍覆蓋整個巷道支護空間。

采用上述支護方式后，對巷道頂底板及兩幫位移量進行監測，結果顯示，頂板的最大變形量在50mm，底板的最大底鼓量在38mm，巷道的煤柱幫變形量在26mm，實體煤幫的變形量在2lmm.表明采用的巷道支護方式可以有效的對巷道圍巖進行支護。

4總結

根據礦井的實際地質資料，分別對2603回風巷lOm-40m等4個不同護巷寬度下，巷道內的垂直應力，塑性區分布情況進行模擬分析，在考慮巷道安全、煤柱穩定以及煤炭采收率的基礎上，綜合確定合理的護巷煤柱寬度為25m，并對25m煤柱寬度下的巷道支護進行設計，設計的巷道支護方式及支護參數可以有效的維護巷道圍巖穩定，保證巷道安全使用。

參考文獻：

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