窄小煤柱下大断面巷道支护设计的优化

王建鹏，高应山

（西山煤电集团公司杜儿坪矿，山西 太原 030022）

·技术经验·

窄小煤柱下大断面巷道支护设计的优化

王建鹏，高应山

（西山煤电集团公司杜儿坪矿，山西 太原 030022）

根据杜儿坪矿北五盘区2#煤层62512工作面机轨巷布置的特点，并结合矿井实际，提出了几种不同的支护设计方案。通过数值模拟对比分析，确定了巷道的最佳支护方案，为窄小煤柱下大断面巷道支护技术的推广和应用积累了宝贵的经验。

巷道支护；窄小煤柱；大断面；设计优化

西山煤电集团公司杜儿坪矿北五盘区2#煤层62512工作面设计为U型通风系统，机轨巷进风，工作面回风巷回风，由于原62510尾巷变形严重，不能二次复用，为提高资源回收率，决定在该巷道旁留8 m宽的小煤柱，重新掘送62512机轨巷。为解决大断面巷道的支护问题，结合矿井实际，提出不同的设计方案，采用计算机数值模拟后确定最佳方案。

1 地质概况

62512工作面位于杜儿坪矿北五左翼盘区2#煤层，北邻北五左翼九尺轨道巷，南邻中部断层（相距65～114 m），东邻62510工作面（已采），西邻62514工作面（未掘），见图1。

图1 北五左翼盘区2#煤62512机轨巷采掘工程平面图

62512工作面机轨合一巷掘进穿过的煤层为古生代二叠系下统山西组2#煤，煤层厚度稳定，1．70～2．50 m，平均2．00 m，结构简单。煤层倾角1°～8°，平均4°。直接顶为浅灰色粉砂岩，近水平层理，含有黄铁矿，厚度为2．43～3．90 m，平均厚度为3．25 m；老顶为2．9 m厚的灰白色中砂岩；直接底和老底厚度分别为0．70 m和4．57 m的砂质泥岩。

2 支护方案设计

62512机轨巷沿2#煤层的顶板掘进，巷道宽5m，高3 m，采用锚杆与锚索联合支护方案，根据2#煤的地质条件，采用以下7种方案进行对比分析，选取最优方案。

1）锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，呈五花布置，即“二一二一”分布，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2 000 mm，每排6根，间距850 mm，排距1 000 m。

2）锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，呈五花布置，即“二一二一”分

布，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2 200 mm，每排6根，间距850 mm，排距1 000 m。

3）锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，呈五花布置，即“二一二一”分布，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2 400 mm，每排6根，间距850 mm，排距1 000 m。

4）锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，排距2 000 mm，每排2根，即“二二间隔”布置，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2 000 mm，每排6根，间距850 mm，排距1 000 m。

5）锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，排距2 000 mm，每排2根，即“二二间隔”布置，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2 200 mm，每排6根，间距850 mm，排距1 000 m。

6）锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，排距2 000 mm，每排2根，即“二二间隔”布置，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22mm，长度为2 400 mm，每排6根，间距850 mm，排距1 000 m。

7）锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，排距2 000 mm，每排2根，即“二二间隔”布置，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2 000 mm，间距1 000 mm，每排5根。

3 支护方案对比分析

1）方案1、2、3对比分析。

方案1、2、3不同的是锚杆的长度不同，锚索为“五花”布置，其他的条件都相同，分别针对方案1、方案2和方案3进行数值模拟对比分析，巷道周围围岩应力分布见图2。

图2 巷道围岩垂直应力分布图

由图2可得到以下结论：

a）锚杆长度的改变对于巷道顶板的应力变化影响较小，巷道顶板的应力分布近似相同，而对于两巷道之间的煤柱应力分布影响较大，应力集中程度不同。

b）锚杆长度为2．0 m时，62512机轨巷和62510尾巷在煤柱内形成应力集中且垂直应力降低区彼此孤立，在煤柱中央应力集中最大值达17．78 MPa，而锚杆长度为2．2 m和2．4 m时，煤柱内应力分布更加均匀，应力集中程度降低，垂直应力降低区相互贯通，煤柱中央应力集中最大值为17．67 MPa和17．61 MPa，对于降低煤柱内煤体的破坏具有一定的作用。然而锚杆长度的改变并未改善靠近巷道表面的应力集中程度。

因此，锚杆长度的增加，对于改善煤柱深部的应力状态具有一定的作用，而对于巷道表面的应力状态改善并不明显。

2）方案4、5、6对比分析。

方案4、5、6不同的是锚杆的长度，锚索“二二”间隔布置，其他的条件都相同，分别针对方案4、方案5和方案6，数值模拟对比分析，巷道周围围岩应力分布见图3。

由图3可得到以下结论：

a）与方案1、2、3中锚索为“五花”布置和方案4、5、6中锚索排距为2．0 m时相比，同样是锚杆长度的改变并未对巷道顶板的应力变化产生较大影响，巷道顶板的应力分布近似相同，而是对于两巷道之间的煤柱应力分布影响较大，应力集中程度不同。

b）锚杆长度为2．0 m时，62512机轨巷和62510尾巷在煤柱内形成应力集中且垂直应力降低区彼此孤立，在煤柱中央应力集中最大值达17．69 MPa，而锚杆长度为2．2 m和2．4 m时，煤柱内应力分布更加

均匀，应力集中程度降低，垂直应力降低区相互贯通，煤柱中央应力集中最大值为17．61 MPa和17．59 MPa，对于降低煤柱内煤体的破坏具有一定的作用。

因此，改变锚索布置方式后，随着锚杆长度的增加，煤柱内部的应力状态趋于改善，而巷道表面及顶板中的应力状态改善并不明显。

3）方案1和4对比分析。

方案1和4唯一不同的是锚索的布置方式，因此，需要对这两种方案进行对比，选择最优方案，见图4，图5。

图3 巷道围岩垂直应力分布图

图4 巷道顶板下沉量图

图5 巷道下帮移近量图

由图4和图5可以看出，方案1和方案4的巷道顶板下沉量最大分别为8．543 mm和8．556 mm，下帮移近量分别为10．78 mm和10．83mm，可以看出，与方案4相比，方案1巷道表面位移量都较小。

因此，在综合考虑锚杆支护预应力场分布状态和巷道表面位移量的控制，方案1较优。

4）方案1和7对比分析。

在进行方案选择时，在考虑锚杆长度不同时，同样考虑了锚杆和锚索型号及布置方式不同时对巷道围岩的控制作用差异性，方案1为锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，呈五花布置，即“二一二一”分布，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2 000 mm，每排6根，间距850 mm，排距1 000 m。方案7为锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，排距2 000 mm，每排2根，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2 000 mm，间距1 000 mm，每排5根。巷道围岩垂直应力分布图见图6，巷道顶板下沉量图见图7，巷道下帮移近量图见图8。

图6 巷道围岩垂直应力分布图

图7 巷道顶板下沉量图

图8 巷道下帮移近量图

由图6可以看出，方案7在煤柱中央的应力集中程度要低于方案1，但是由图7，图8巷道表面位移监测曲线可以看出，方案1和方案7的巷道顶板下沉量最大分别为：8．543 mm和8．556 mm，下帮移近量分别为：10．78 mm和10．82 mm，可以看出，与方案7相比，方案1对围岩的控制作用较好。

因此，在综合考虑锚杆支护预应力场分布状态和巷道表面位移量的控制，方案1为最优方案。

4 结 论

通过计算分析，本着保证巷道安全的前提条件下，考虑巷道支护成本和掘进进度，确定62512面机轨巷支护形式与参数：锚索直径为21．6 mm，1×7芯，长度为5 300 mm，间距2 000 mm，二二布置，锚杆为左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2 000 mm，每排6根，间距850 mm，排距1 000 m。可为井下类似巷道支护技术的推广和应用积累宝贵的经验。

Optimization on Roadway Support Design of Large Cross-section Under Narrow Coal Pillar

Wang Jian-peng，Gao Ying-shan

According to the characteristics of the rail roadway layout of 62512 working face in north fifth area No．2 coal seam of Du＇erping coal mine，and combines with mining practice，puts forward different supporting design schemes．Through numerical simulation，comparison and analysis，determines the optimal supporting scheme of the roadway，accumulated valuable experiences for promotion and application of large section roadway support technology under narrow coal pillar．

Narrow coal pillar；Large section；Design optimization

TD353+．6

B

1672-0652（2013）07-0004-04

2013-05-22

王建鹏（1969—），男，山西灵石人，1993年毕业于河北煤炭建筑工程学院，高级工程师，主要从事煤矿开采技术管理工作（E-mail）dk6203117＠163．com