巷道合理留設煤柱寬度分析及支護設計

程巨文

（山西焦煤西山煤電西曲礦， 山西 太原 030000）

引言

我國地域遼闊，能源儲量十分豐富，但能源格局整體呈現出多煤少油貧氣的格局，在“十三五”規劃以來，我國提出利用清潔能源代替化石能源的口號，但由于我國國情的限制作用，使得礦產資源的開采量仍十分巨大，所以在未來很久的時間內，煤礦資源的開采仍是我國能源需求量的重要保障。在我國留煤柱開采是一種重要的開采方式，留煤柱開采不僅可以降低巷道變形程度，同時留設煤柱可以有效降低礦井支護難度，但在我國留煤柱開采的礦山，由于技術的局限性，使得很多煤礦煤柱留設煤柱并不合理[1-2]。煤柱留設過小巷道變形量無法得到有效的限制，此時支護需要更高的成本，而煤柱寬度留設過大時，礦井出煤率將會大大折扣，嚴重影響礦山經濟，所以合理的煤柱留設寬度對于礦井開采十分重要。此前眾多學者對礦井煤柱留設寬度進行過一定的研究[3-4]，但不同地質環境下的煤柱留設寬度大不相同，無法直接引用，因此，以某礦為研究背景，對煤柱留設寬度進行研究，通過數值模擬對煤柱合理留設寬度進行研究，同時給出相應的支護方案。

1 3103 工作面概況及數值模擬研究

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 號煤層中，上覆4 號煤層已經開采完畢，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。

對模型進行建立，在進行模型建立時，充分考慮實際地質情況，建立模型長、寬、高分別為200 m×80 m×205 m，對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，需要考慮模型的計算精度及模擬計算時間，避免出現計算時間過長或者計算精度過低的情況，本文選定六邊形劃分方式進行網格劃分，最終網格共計318400個，節點323560 個，對模型的邊界條件進行設定，固定模型左右邊界垂直及水平方向的位移，對模型的底端施加垂直方向的固定約束，在模型的頂端施加4 MPa 的均布載荷，本構模型選定為摩爾- 庫倫模型，完成模型的設定。對模型進行計算。

對不同煤柱寬度下，煤柱內部應力分布情況進行分析，同樣選定煤柱寬度3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m進行分析，不同煤柱寬度下煤柱內部應力曲線如圖1所示。

圖1 不同煤柱寬度下煤柱垂直應力分布曲線

從圖1 可以看出，煤柱內部應力呈現先增大后減小的趨勢，在應力峰值出現之前，煤柱內部垂直應力呈現線性增長，在增大至最大值后又呈現線性衰減的趨勢，同時煤柱寬度越大，煤柱內部應力峰值數值越大。當煤柱寬度為3 m 時，此時煤柱內部應力峰值為3.9 MPa；當煤柱寬度為6 m 時，煤柱內部垂直應力峰值為9.2 MPa；當煤柱寬度為8 m 時，此時煤柱內部垂直應力最大值為14 MPa。當煤柱寬度為3.0～4.0 m時，此時煤柱內垂直應力峰值較原巖應力低，此時煤柱的承載能力較弱，而隨著煤柱寬度的增大，垂直應力峰值逐步增大，當煤柱寬度為5.0 m 時，此時煤柱內應力峰值仍較低，錨桿很難錨固，所以煤柱寬度為6.0～8.0 m，煤柱內垂直應力峰值大于原巖應力，同時煤柱寬度增大，垂直應力峰值增大趨勢逐步減弱，利于錨桿錨固。

綜上，當煤柱寬度小于6.0 m 時，垂直應力峰值較小，較難進行維護，而煤柱寬度大于6.0 m 時，利于錨桿錨固。所以從煤柱穩定承載情況來看，煤柱合理的寬度應大于6.0 m。

對不同煤柱寬度下巷道的水平應力分布情況進行分析，煤柱寬度分別為3～8 m，每1 m 模擬一次，在煤柱內部布設一條位移監測線，將不同煤柱寬度下水平位移進行匯總如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度下煤柱位移分布

從圖2 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。由此可以看出，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，此時為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。

2 支護方案設計

在確定了最佳煤柱寬度后，對現場進行支護方案進行設計，具體支護方案如下所示：

頂板選用桿體直徑22 mm 的螺紋鋼錨桿，錨桿長度2400 mm，桿尾螺紋為M24。間排距為900 mm、1000 mm，采用樹脂加長錨固，鉆頭直徑30 mm，每根錨桿采用2 支CK2340 樹脂錨固劑，錨固長度887 mm。同時錨桿采用方形帶拱托板，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，采用W 鋼帶護頂，鋼帶厚度4 mm、寬280 mm、長度4800 mm，巷道角錨桿與垂直方向傾斜15°，剩余錨桿垂直頂板安裝，錨索采用Φ21.6 mm×8300 mm 的17 股預應力鋼絞線，采用3 支CK2360 樹脂錨固劑。

錨索采用“三三”布置，間距1600 mm、排距2000 mm，每排3 根，垂直巷道頂板打設。

煤柱幫側采用錨桿直徑22 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿長度為2400 mm。錨桿間排距為1000 mm、1000 mm，每排4 根，與巷道頂板成65°夾角布設，采用一支CK2360 樹脂錨固劑。錨桿配件采用方形帶拱托板，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，網片規格采用8 號鐵絲編制的菱形金屬網護幫，金屬網網孔規格50 mm×50 mm，在巷幫位置金屬網長×寬=3600 mm×1200 mm。支護斷面如圖3 所示。

圖3 支護斷面圖（單位：mm）

3 結論

1）不同煤柱寬度下煤柱內部應力呈現先增大后減小的趨勢，在應力峰值出現之前，煤柱內部垂直應力呈現線性增長，在增大至最大值后又呈現線性衰減的趨勢，同時煤柱寬度越大，煤柱內部應力峰值數值越大。

2）在煤柱寬度小于6 m 時，此時為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，確定最佳煤柱寬度為6 m。

3）通過數值模擬確定最佳煤柱留設寬度后，根據實際地質情況，給出了巷道具體的支護方案。