合理区段煤柱尺寸与巷道支护技术研究

许李龙

（晋城煤业集团寺河煤矿二号井，山西 晋城 048019）

寺河矿二号井1907工作面采用双巷布置，在上区段运输平巷和下区段回风平巷之间留设煤柱。在煤层开采的过程中，工作面的回风巷道先后经受两次煤层回采产生的采动影响。合理的煤柱尺寸可以防止巷道围岩出现变形破坏，保证巷道的稳定性。

1 工作面概况

寺河矿二号井1907工作面位于九煤层一水平1-1采区，平均埋深350m，走向长度860m，倾向长度160m，煤层厚度为3.2～4.0m，平均可采厚度为3.5m。切眼位于运输下山以西780m。工作面沿煤层倾向布置，所有顺槽沿煤层底板布置。

2 合理煤柱尺寸的理论分析

工作面回采使煤柱内应力状态重新分布。对于煤柱边缘来说，受支承压力影响，煤柱边缘形成应力集中区，其应力大小数倍于原岩应力γH，煤柱边缘由弹性状态转化为塑性状态，其强度变低，煤柱边缘受力影响产生破坏。随着工作面逐渐向前回采，应力集中区逐渐向煤柱深部转移，支承应力曲线成抛物线状态。当支承应力与煤柱所能承载应力平衡时，煤柱不再受支承应力影响，处于平衡稳定状态。煤柱应力区域分布示意图如图1所示。

图1 煤柱支承应力区域分布示意图

综采工作面回采后煤柱采准巷道一侧也将成为采空区，由图1可以看出，煤柱两侧塑性区的范围基本相同，因此，可以近似x0=R，根据岩石力学极限平衡理论可以得出塑性区的范围为：

式中：

K-应力集中系数，一侧采空取值2.5，两侧采空取值4。

P-煤柱的阻力，一般取值0；

M-采高，m；

H-采深，m；

C-煤柱内粘聚力，一般取值0.45～0.75；

φ-内摩擦角，°；

f-煤柱与顶底板接触摩擦系数，一般取值0.125；

ξ-三轴应力系数，

因此，煤柱的宽度B为：

式中：

X1-锚杆深入煤柱的有效长度，取值6.0m；

X2-考虑煤柱稳定时安全储备，取值0.2（X0+X1）=2.0m。

依据寺河矿二号井1907工作面地质条件以及相关参数，如表1所示，得出寺河矿二号井1907工作面煤柱合理宽度为12m。

表1 煤柱尺寸理论计算值

3 合理煤柱尺寸的数值模拟

3.1 不同宽度煤柱的数值模拟

根据1907工作面地质条件以及相关参数，采用FLAC3D数值模拟软件分别对工作面煤柱宽度6m、9m、12m、15m进行模拟研究。设定各岩层及弱结构力学参数如表2所示。

表2 模型各岩层力学参数

在模型Y方向施加12.5MPa垂直载荷，得出不同煤柱宽度巷道支承压力示意图，如图2所示。

由图2可知，寺河矿二号井1907工作面煤柱宽度为6m，巷道所能承载的支承压力最大12MPa；随着煤柱宽度逐渐增大，巷道所能承载的支承压力减小，当煤柱宽度为9m到12m时，其应力值为10MPa；当煤柱宽度增大到12m，巷道所能承载的支承压力最小，为9.18MPa。因此，寺河矿二号井1907工作面煤柱合理宽度为12m。

图2 不同煤柱宽度巷道应力变化示意图

3.2 不同支护方式数值模拟研究

根据1907工作面地质条件以及相关参数，采用RFPA数值模拟软件对1907工作面不同支护条件下巷道变形破坏情况进行数值模拟。分别模拟工字钢棚支护方式、锚网支护方式、锚网索联合支护方式。

3.2.1 工字钢棚支护方式模拟结果

工字钢棚支护方式模拟结果如图3所示。

图3 工字钢棚支护方式巷道变形破坏示意图

由图3可知，采用工字钢棚支护后，巷道顶板和两帮强度在支护初期得到了加强，但是整个工字棚的受力最终都集中到两个棚脚，随着时间推移，棚腿逐渐插入底板，致使出现底鼓，随着底鼓的加剧，工字棚逐渐失去支护作用，顶板和两帮逐渐出现变形破坏，最后导致整个巷道失稳变形破坏。

3.2.2 锚网支护方式模拟结果

锚网支护方式模拟结果如图4所示。

图4 锚网支护巷道变形破坏示意图

由图4可知，采用锚网支护方式，巷道支护密度不足，致使巷道围岩随着时间的推移出现了较大的变形破坏。由于顶板未采用锚索支护，随时间的推移，变形破坏逐渐增大，并由煤壁逐渐向煤体内部发展，长时间之后，变形破坏也十分严重，需要采取二次巷道加固。

3.2.3 锚网索支护方式模拟结果

锚网索支护方式模拟结果如图5所示。

图5 锚网索支护巷道变形破坏示意图

由图5可知，巷道采用锚网索支护后，巷道整体强度得以提高。由主应力图和声发射图可知，巷道变形破坏很小，并且逐渐趋于稳定，只在围岩浅部发生了小范围的变形，巷道整体保存完好，在使用期间基本无需二次支护。

通过分析可知，工字钢棚支护和锚网支护的巷道在数值模拟中出现了不同方式的变形破坏，均达不到支护要求，因此，最终确定试验巷支护方式为锚网索支护。

4 巷道支护方案

4.1 巷道支护参数

根据1907工作面地质条件和模拟结果，在1907运输顺槽和回风顺槽采用锚网索支护来控制巷道围岩变形。

顶板和帮部锚杆采用Φ20×2000mm锰钢螺纹树脂锚杆。顶部锚杆间距为800mm，帮部锚杆间距为700mm，树脂药卷采用符合煤炭行业标准MT146.1-2002的Φ23×500mm树脂锚固剂，每根锚杆1块药卷。

全断面挂网，网间搭接100mm，用14#铁丝联网间距为：每隔一孔联一扣。

锚索使用Φ15.24mm的钢绞线制作，长度为6000mm，间距为2000mm。树脂药卷采用符合煤炭行业标准MT146.1-2002的Φ23×500mm树脂锚固剂，每根锚索3块药卷。其支护材料参数如表3所示，支护示意图如图6所示。

表3 巷道支护材料参数表

图6 支护设计示意图

4.2 效果检验

在寺河矿二号井1907工作面运输顺槽和回风顺槽采用锚网索支护来控制巷道围岩变形。对于支护的实际效果，单纯锚网支护，巷道最大两帮位移量693mm，底鼓量286mm；在使用锚网的基础上再进行锚索强的支护方式以后，巷道两帮位移量最大为174mm、底鼓量最大为80mm，与单纯U型工字钢棚支护相比，硐室围岩变形明显减小，两帮位移量、底鼓量最大值分别下降81.7%、72%；

5 结论

（1）以寺河矿二号井1907工作面为研究对象，采用公式计算出最佳煤柱尺寸为12m，并采用FLAC3D数值模拟软件分析了6m、9m、12m、15m煤柱尺寸支承压力，也得出了巷道最佳煤柱尺寸为12m。

（2）采用RFPA数值模拟软件对工字钢棚支护、锚网支护和锚网索支护巷道变形破坏数值模拟，结果表明工字钢棚支护和锚网支护的巷道在数值模拟中出现了不同方式的变形破坏，均达不到支护要求，因此，最终确定实验巷支护方式为锚网索支护。

（3）根据寺河矿二号井1907工作面地质条件，分析了巷道支护最优参数。对支护效果进行效果检验，结果表明取得了良好的支护效果。