煤层回采巷道煤柱宽度分析与支护技术研究

马 坡 李凤申 张洪强

（高庄煤业有限公司，山东 济宁 272195）

1 概况

山东能源枣矿集团高庄煤矿主采山西组3上煤层，厚0.48～8.53 m，平均4.81 m。3上煤层顶板以细粒砂岩为主，砂岩2～5 层，总厚1.14～48.75 m，平均18.25 m。3上煤层底板为砂岩，厚0.70～30.68 m，平均11.31 m。3上1112 工作面巷道全长约1200～1300 m。巷道存在F14、FD4、F14-3、FD3（正、逆）、FD16、F91 等较大的断层，地质情况复杂。3上1112 工作面回风顺槽沿煤层底板掘进，需对护巷煤柱合理宽度和围岩控制技术进行研究[1-6]。

2 护巷煤柱合理宽度分析

2.1 护巷煤柱合理宽度数值模拟模型及方案

利用UDEC 数值模拟软件研究不同保护煤柱宽度条件下的煤柱变形、垂直应力分布、裂隙分布情况，确定合理煤柱宽度，为3上1112 工作面回风顺槽支护设计提供理论基础。

根据3上1112 工作面和巷道的空间位置关系及工程地质条件建立三维数据模型，模型：巷道埋深260 m，长度200 m，宽度45.6 m，侧压系数1.0，巷道断面尺寸4.0 m×4.0 m。数值模拟主要选取留设煤柱宽度分别为3 m、5 m、15 m、25 m 和35 m五种情况。

2.2 不同宽度煤柱模拟结果分析

2.2.1 煤柱变形特征分析

根据UDEC 数值模拟结果，绘制不同护巷煤柱宽度时煤柱变形曲线如图1。

从图1 数据知，当护巷煤柱宽度从3 m、5 m、15 m、25 m、35 m 数值增大时，掘进期间煤柱承载能力呈逐渐增大、煤柱变形量呈逐渐降低的规律。区段煤柱为3 m 时，采空区侧煤柱变形量最大达650 mm，巷道侧煤柱变形量最大达390 mm，煤柱承载能力低下；区段煤柱为5 m 时，采空区侧煤柱变形量最大达420 mm，巷道侧煤柱变形量最大达460 mm，煤柱有一定承载能力；区段煤柱为15 m 时，采空区侧煤柱变形量最大达170 mm，巷道侧煤柱变形量最大达120 mm，煤柱承载能力较强，承载能力提升明显，煤柱变形量处于120～170 mm，巷道围岩变形量得到了有效的控制；区段煤柱为25 m 和35 m 时，采空区侧煤柱变形量最大分别为62 mm、52 mm，巷道侧煤柱变形量最大分别为82 mm、72 mm，煤柱两侧的变形量较小，巷道围岩稳定，煤柱承载能力非常理想。

图1 不同护巷煤柱宽度时煤柱变形曲线

2.2.2 煤柱内应力和裂隙分布特征

数值模拟得出不同护巷煤柱宽度时垂直应力分布及煤柱内裂隙分布情况如图2。

图2 不同护巷煤柱宽度下煤柱垂直应力及裂隙分布图

分析图2（a）不同护巷煤柱宽度时垂直应力分布曲线可知，当护巷煤柱宽度从3 m、5 m、15 m、25 m、35 m 数值增大时，煤柱内最大垂直应力呈先增大后减小趋势。煤柱宽度为15 m 时，煤柱内最大垂直应力达到最大值23 MPa，煤柱区出现应力集中现象，煤柱压入底板，发生层状或拱形冒落，煤柱稳定差；护巷煤柱宽度从15 m 增加到25 m 的过程中，煤柱内最大垂直应力开始逐渐减小；护巷煤柱宽度从25 m 增加到35 m 的过程中，煤柱内最大垂直应力减小幅度降低。根据煤柱内最大垂直应力的变化情况来看，当护巷煤柱宽度在25 m 时较为合理，煤柱内最大垂直应力符合施工实际。

分析图2（b）不同护巷煤柱宽度时煤柱内裂隙分布曲线可知，当护巷煤柱宽度从3 m、5 m、15 m、25 m、35 m 数值增大时，掘进期间煤柱内“闭合裂隙”（裂隙不贯通区域）长度呈逐渐增大规律。当区段煤柱为3 m 时，煤柱几乎无“闭合裂隙”区域，煤柱“闭合裂隙”区域几乎为0，煤柱无承载能力；当区段煤柱为5 m 时，煤柱“闭合裂隙”区域约为1 m，煤柱有部分承载能力；当区段煤柱为15 m 时，煤柱“闭合裂隙”区域约为7.9 m，裂隙不贯通区域较大，煤柱有一定的承载能力；当区段煤柱为25 m 时，煤柱“闭合裂隙”区域约为13.9 m，煤柱有好的承载能力；当区段煤柱为35 m 时，煤柱“闭合裂隙”区域约为25.1 m，煤柱有相当理想的承载能力。

综合3上1112 工作面回风顺槽沿空掘巷在不同护巷煤柱宽度时煤柱变形、垂直应力分布、裂隙分布特征可知：当护巷煤柱宽度为25 m 和35 m 时，煤柱内垂直应力最大值较小，能有效地保障巷道围岩的稳定；结合裂隙闭合区宽度分析可知煤柱宽度应设定在25 m 以上。综合煤炭开采的经济效益，确定3上1112 工作面回风顺槽沿空掘巷合理的护巷煤柱宽度为25 m。

3 巷道支护技术研究

3.1 支护方案

基于地质条件设计了该巷道采用锚网索支护方案，如图3。

图3 3上1112 回风顺槽支护方案图（mm）

（1）顶板控制。采用Ф20 mm 型左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，材料CRM600 号钢，长2100 mm，间排距1100 mm×1000 mm，锚固力不小于60 kN，预紧扭矩不低于250 N·m，树脂药卷规格：MSCK2335 一支和MSZ2360 一支； 采用Ф17.8 mm×6300 mm锚索，排距2000 mm，菱形金属网护顶。

（2）两帮控制。采用Ф20 mm 型左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，材料CRM600 号钢，长2100 mm，间排距1100 mm×1000 mm，锚固力不小于60 kN，预紧扭矩不低于250 N·m，树脂药卷规格：MSCK2335一支和MSZ2360一支，菱形金属网护顶。

3.2 效果分析

在3上1112 回风顺槽掘进期间，进行了表面位移监测，根据监测数据得出围岩变形量曲线图如图4。

图4 3上1112 回风顺槽掘进期间围岩变形量曲线图

从图4 数据可知，3上1112 回风顺槽掘进期间，滞后掘进迎头0～40 m 范围内巷道围岩变形量较大，呈现增长趋势；滞后掘进迎头40 m 后，巷道围岩变形量增大趋势迅速降低；掘进至迎头60 m 时处于稳定状态，最大顶底板移近量为39 mm，最大两帮移近量为101 mm。

4 结语

根据高庄煤矿3上1112 回风顺槽围岩的地质条件，采用UDEC 数值模拟软件确定了合理的护巷煤柱宽度为25 m，设计了巷道锚网索支护方案。表面位移监测数据表明，3上1112 回风顺槽巷道围岩顶底板和两帮变形量较小，可有效保障巷道掘进安全。