厚煤層綜放工作面區段煤柱合理寬度及巷道支護研究

張欣

（山西潞安工程有限公司，山西 長治 046100）

1 概 況

常村煤礦2106 軌道順槽地面位置位于姬村以南，屯留國家糧食儲備庫西北。主要用于工作面運料、行人、通風。2106 軌道順槽南接470 東翼輔助運輸巷（已掘），北接2106 開切眼（已掘），西側為2104 綜放工作面，東側為未采掘區域，巷道位置如圖1（a） 所示，2106 軌道順槽位于3 號煤層，煤層平均厚度為5.82 m。根據三維勘探二次解釋結果顯示，2106 軌順掘進至距2107 回風聯巷北幫70.3 m 位置時，巷道可能揭露F2（H=14 m∠70°） 正斷層。2106 外切眼掘進范圍未發育斷層及陷落柱。除此之外，F2（H=14 m ∠70°） 正斷層附近可能發育有其他衍生斷層等構造。2106軌道順槽長約897 m，巷道沿3 號煤層底板施工，寬5.0 m、高3.5 m，工作面地質柱狀圖部分如圖1（b） 所示。針對該礦巷道臨回采工作面掘進期間圍巖變形大、支護困難問題，以2106 軌道順槽為例，對其合理煤柱寬度及支護方案進行相關研究。

圖1 巷道位置及頂底板巖層特征Fig.1 Roadway position and rock characteristics of roof and floor

2 合理煤柱寬度模擬分析

2.1 建立數值模型

與鄰近回采工作面間煤柱寬度變化不僅影響巷道圍巖應力環境，而且鄰近工作面采動對巷道圍巖的影響程度也隨之變化，為明確煤柱寬度對于掘進巷道圍巖穩定性的具體影響，以常村煤礦2106 工作面的工程地質條件為依據，借助FLAC3D 軟件進行其掘進及工作面開采過程的模擬[1-2]，模型X 軸、Y 軸方向分別為煤層的傾斜方向、走向方向，設計模型X 軸方向長350 m、Y 軸方向寬150 m、Z 軸方向厚100 m，煤巖層具體力學參數見表1。模型頂部未建立的巖層總厚度約500 m，頂部自由邊界施加12.5 MPa 的壓應力，取側壓系數值為1.12，所建模型及模擬方案如圖2（a） 所示。

表1 巖層主要力學參數Table 1 Main mechanical parameters of rock strata

圖2 數值模型及開挖范圍示意Fig.2 Numerical model and excavation scope

2.2 數值模擬研究

模擬計算時，2106 軌道順槽沿3 號煤層底板布置，矩形斷面寬5.0 m、高3.5 m，巷道無支護，采空區頂板采用自然崩落法處理，2104 工作面回采方向與2106 運輸順槽掘進方向相反，煤柱寬度為15～40 m。煤柱內的應力狀況與巷道圍巖穩定性密切相關，為準確掌握不同煤柱寬度內的應力分布，在煤柱中部布置測線，在2104 工作面回采穩定后，得到煤柱內垂直應力分布，如圖3（a） 所示；監測巷道頂板垂直位移，得到圖3（b） 所示結果。

圖3 不同煤柱寬度條件下垂直應力和位移模擬結果Fig.3 Simulation results of vertical stress and displacement with different coal pillar width

根據數值模擬結果可以看出，煤柱寬度為15、20、25 m 時，煤柱內垂直應力基本呈單峰分布，應力峰值分別為18.73、21.58、25.09 MPa，此時煤柱兩側的應力在煤柱上方疊加，不利于巷道圍巖的穩定；當煤柱寬度為30、35、40 m 時，煤柱內應力呈雙峰分布，應力峰值穩定在20 MPa 以下，此時煤柱兩側的支承壓力未在煤柱內部疊加，煤柱內存在一定寬度的彈性區[3]，對巷道圍巖穩定較有利；煤柱寬度為15 ～25 m 時，巷道中線附近頂板下沉量最大值均超過500 mm 以上，煤柱寬度為30 ～40 m 時，巷道中線附近頂板下沉量最大值小于500 mm，巷道圍巖穩定性較好。綜上表明，2106 工作面與鄰近合理煤柱尺寸為30 m。

3 支護方案模擬研究

常村煤礦2106 軌道順槽原設計支護方式為錨網支護，結合相似條件下巷道變形特征，在原支護基礎上，通過增加錨索、調整錨桿布置參數進行支護方案的優化，共提出5 種支護方案。

方案一(原支護）：頂板及兩幫錨桿規格φ22 mm×2 400 mm，每排14 根錨桿，頂錨桿間距900 mm，預緊力距250 N·m，所有錨桿垂直頂板安裝，幫錨桿間距950 mm，預緊力距150 N·m，所有錨桿沿水平方向布置。

方案二：在原支護基礎上，錨桿排距優化為800 mm，頂板增加1 根錨索，規格φ22 mm×6 300 mm，排距2.4 m，預應力150 kN。

方案三：在原支護的基礎上，肩角附近的錨桿傾斜布置，頂板增加錨索支護，錨索規格φ22 mm×7 300 mm，采用“二一二”布置，間排距2 200 mm×1 800 mm，預應力150 kN。

方案四：在方案三的基礎上，頂板錨索調整為“二二”布置，間排距2 200 mm×900 mm，頂板錨桿預緊力距350 N·m，幫錨桿預緊力距250 N·m，頂板錨索預應力250 kN。

方案五：在方案四的基礎上，頂板錨索調整為“三三”布置，間排距1 100 mm×900 mm。

2106 軌道順槽與鄰近回采工作面間留設30 m煤柱，巷道附近的煤巖體網格加密布置，根據數值模擬結果，整理得到頂板下沉量和煤柱幫內移量變化規律，如圖4 所示。可以看出，5 種支護方案條件下，巷道頂板下沉量和煤柱幫內移量均較支護前顯著降低，說明各支護方案均能對圍巖起到一定的控制作用。原支護方案條件下，頂板下沉量和煤柱幫內移量均相對較大，支護效果相對較差；支護方案2、3 條件下，巷道表面變形量相對較小，支護效果得到一定提升，但支護方案4、5 對于巷道圍巖的控制效果更好，頂板最大下沉量為80 mm 左右，煤柱幫最大水平位移為40 mm 左右，預計可保證巷道圍巖穩定性。

圖4 不同支護方案圍巖變形量Fig.4 Deformation of surrounding rock under different support schemes

4 最優支護方案設計及應用效果分析

4.1 最優支護方案

結合前文數值模擬結果并同時考慮資源利用率、巷道支護等方面因素，確定常村煤礦2106 軌道順槽與2104 綜放工作面間煤柱寬度為30 m，掘巷階段永久支護方式為預應力高強錨網索梁聯合支護，詳細參數如下。

巷道斷面尺寸寬、高為5.0 m、3.5 m，頂板錨桿規格φ22 mm×2 400 m，所用材料種類為左旋螺紋鋼，頂板錨索規格φ22 mm×7 300 m，所用材料種類為1770 級低松弛鋼絞線，頂板鋼筋梯子梁由直徑14 mm 的圓鋼制作，頂板和兩幫采用8號菱形金屬網片護表，頂板錨桿預緊力距350 N·m，幫錨桿預緊力距250 N·m，頂板錨索預應力250 kN，支護詳情如圖5 所示。

圖5 2106 軌道順槽支護方案Fig.5 Support scheme of No.2106 track crossheading

4.2 支護效果分析

常村煤礦2106 軌道順槽采用高強度預緊力錨桿錨索支護方案（優化支護方案四），與2104 工作面間留設30 m 煤柱，掘巷期間及2106 工作面回采期間監測巷道表面圍巖變形量[4]，典型數據如圖6 所示。可以看出，掘進期間巷道支護完成后，隨著成巷時間的延長，巷道表面變形量呈現階段性快速增大后趨于穩定的趨勢，頂底板移近量約51.8 mm，兩幫移近量約59.4 mm，巷道表面變形量微小，可見變形破壞得到有效控制，能夠保證巷道正常使用；在服務于工作面生產期間，超前工作面約35 m 處圍巖開始進一步變形，在距工作面10 m 以內時變形速度最快，在工作面回采至測站前方約1 m 處時，頂底板移近量及兩幫移近量均為350 mm左右，總體變形量雖然較大，但是可保證巷道的正常生產，巷道的過度變形得到有效控制。

圖6 礦壓監測結果Fig.6 Mine pressure monitoring results

5 結 語

針對常村煤礦與回采工作面相鄰巷道煤柱留設寬度不合理、支護效果差的問題，通過現場調研、數值模擬等方法，對最優煤柱寬度和巷道支護方案進行研究，工業性試驗階段進行礦壓監測，結果表明，煤柱寬度大于30 m 后，煤柱內存在穩定的彈性區，利于巷道圍巖穩定，結合2106 軌道順槽的工程地質特征，在原支護方案的基礎上提出了5 種錨網索聯合支護方案，通過數值模擬分析確定最優方案，實踐表明，優化后的煤柱尺寸和支護方案可控制巷道圍巖的變形破壞，滿足礦井安全生產需求。