混凝土支柱与锚杆(索)联合支护系统应用研究

胡 滨，王志超，张 晓

(1.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013;2.煤炭科学研究总院有限公司 开采研究分院，北京 100013;3.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

0 引 言

目前国内外高产高效综采工作面正向大型化、设备重型化方向发展，随着综采设备数量、使用范围的不断加大，工作面设备回撤频率也不断提高，因此，工作面设备的安全、快速回撤是现代化大型矿井能否实现高产、高效的关键影响因素之一[1-3]。现有综采工作面回撤技术主要分为自割回撤通道和预掘回撤通道2种[4-5]。自割回撤通道技术是在采煤机自割通道基础上加强顶板铺网管理的一种传统搬家方法，而预掘回撤通道则是在回采工作面终采线处预先掘出一条或多条平行于回采工作面的辅助巷道，以达到快速搬家的目的[6-9]，预掘回撤通道因其可提前成巷或与工作面采煤作业平行掘进、支护质量较可靠等优势逐步推广开来。预掘回撤通道支护系统可简单分解为内部支护和外部支护2部分[10-11]，内部支护部分是指由锚杆、锚索、护表构件等组成的支护系统，在采煤工作面远离预掘回撤通道期间，主要靠内部支护系统维护回撤通道稳定性；外部支护部分主要包括木垛、单体支柱、垛式支架或混凝土支柱等，当工作面回采至终采线进行末采贯通时，需要靠外部支护部分协助原有锚杆(索)支护系统来控制回撤通道变形量以保证综采设备的安全正常回撤。在美国、澳大利亚井工煤矿中以混凝土支柱作为工作面末采外部支护手段应用较为广泛。美国Beth 矿山能源公司于1988年首次试验采用混凝土支柱作为预掘回撤通道外部支护方式研究，提出了混凝土支柱支护强度的设计标准[1-2]；文献[12-14]在Emerald煤矿进行了工作面回采期间回撤通道变形和各支护体的受力监测，指出外部支护设计关键参数是支柱残余承载能力；TADOLINI等[12]研究评价了混凝土支柱强度和刚度对锚杆支护系统的影响，指出支柱间距应该根据回撤通道的宽度和覆岩深度来确定。国内学者一般将混凝土支柱作为巷旁补充支护体，如文献[15]指出古全忠曾在枣泉煤矿工作面回风巷采用瑞米支柱(混凝土支柱)配以工字钢和圆木点柱进行巷道修复支护工作；文献[16-17]拓展了钢管混凝土支柱作为沿空留巷巷旁支护体的应用研究；文献[18]在柠条塔煤矿、榆家梁煤矿进行了柔模混凝土支柱沿空留巷的工业性试验，形成了泵注混凝土支柱的成套工艺，但尚未有将混凝土支柱作为工作面末采期间主回撤通道外部支护手段的应用研究。

为进一步提高国内煤矿综采工作面末采回撤速度、降低搬家费用，笔者在理论计算、数值模拟进行支柱支护参数选择基础上，以何家塔煤矿50103工作面为工程背景，进行混凝土支柱与锚杆(索)联合支护系统在工作面末采中的应用研究，为类似条件下工作面设备回撤提供工程借鉴。

1 工程概况

何家塔煤矿为低瓦斯矿井，煤层易自燃、具有爆炸危险性[11]。井下50103工作面倾向长度约245 m，走向长度约3 560 m，煤层倾角1°～5°，属于近水平煤层，该煤层呈条带状结构，节理裂隙不发育，平均厚度约3.2 m，埋深约180 m。直接顶以中等稳定的中粗粒砂岩为主，局部夹矸为零星泥岩；基本顶以厚度、强度较大的粉砂岩、细砂岩为主；直接底以砂质泥岩、泥岩为主，遇水软化强度降低。该煤层顶板较坚硬，预计为基本顶来压强烈的Ⅲ级顶板。经现场原岩应力测试，矿区最大水平主应力为10.03～11.86 MPa，方向大致为NWW，最小水平主应力为5.44～6.20 MPa，垂直主应力为4.66～4.74 MPa，水平应力明显大于垂直应力，整个矿区以构造应力场为主，属于中等应力区。

2 预掘回撤通道支护设计

主回撤通道设计掘进断面为矩形，掘进宽度5.0 m，掘进高度3.2 m，采用锚杆锚索联合支护系统。回撤通道顶板采用规格ø18 mm×2 000 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距为1 300 mm×1 000 mm，树脂加长锚固，预紧转矩为120 N·m，配套钢筋梯梁、双层菱形金属网支护；锚索规格为ø22 mm×6 300 mm呈三花布置，间排距为2 000 mm×2 000 mm，树脂加长锚固，锚固力不低于200 kN。帮部采用非对称支护方式，回采侧煤帮不支护，煤柱侧帮每排布置3根型号ø18 mm×2 000 mm左旋螺纹钢锚杆，预紧转矩为100 N·m，间排距为1 300 mm×1 000 mm，树脂加长锚固，配套单层菱形金属网护帮，具体支护形式如图1所示。

图1 主回撤通道支护参数

3 混凝土支柱支护技术方案选择

3.1 混凝土支柱支护参数理论计算

传统矿压理论一般按照4～8倍工作面采高估算顶板压力，在周期来压不明显时选用低倍数，在周期来压较剧烈时选用高倍数[15]。50103工作面煤层上覆岩层顶板较坚硬，预计为基本顶来压强烈的Ⅲ级顶板，因此按照8倍采高估算工作面支护强度：

P=8ahr=8×2×3.2×27=1.38 MPa

(1)

式中：P为估算工作面支护强度，MPa；a为安全系数，取2；h为工作面采高，m；r为顶板岩石平均容重，取27 kN/m3。

煤矿原50102工作面主回撤通道外部支护选用68台型号ZD9000/17/35、工作阻力为9 000 kN的垛式支架，配套使用1 040根型号DW35-200/100、额定工作阻力200 kN的外注式单体液压支柱，回撤通道长245 m，宽5 m，计算整体外部支护强度约为：

P=(9 000×68+200×1 040)/(245×5)=0.67 MPa

(2)

参考理论计算结果设计混凝土支柱对顶板支护强度为2 MPa，拟采用强度等级C30、直径800 mm混凝土支柱替代垛式支架进行支护，取其在井下正常养护条件下抗压强度为25 MPa，单根混凝土支柱能提供约12×106N支撑力，计算混凝土支柱数量为：

m=PS/T=2×106×245×5/(12×106)=208个

(3)

式中：m为计算混凝土支柱数量，个；S为回撤通道巷道顶板面积，m2；T为单根混凝土支柱可提供支撑力，N。

本次为混凝土支柱作为回撤通道外部支护系统的初次井下工程应用，考虑安全系数后设计布设250个直径800 mm混凝土支柱。为避免混凝土支柱发生脆性破坏，在混凝土支柱顶部与回撤通道顶板之间预留200～300 mm接顶空间并填塞高密度板和化学注浆充填袋，通过高密度板受压变形可以有效缓冲顶板下沉压力以保持支柱完整性。

3.2 混凝土支柱布置方式的数值模拟分析

采用FLAC3D进行不同混凝土支柱布置方案的模拟分析，模型尺寸为400 m×300 m×200 m，其中沿工作面倾向长度400 m，沿工作面走向长度300 m，沿煤岩层高度方向200 m，模型共划分198 576个单元、199 282个节点，主辅回撤通道开挖断面为5 m×3.2 m。数值计算选用摩尔-库仑本构模型，模型边界条件取为：四周采用铰支，底部采用固支，上部为自由边界。根据地质力学测试结果确定数值模型应力条件为：垂直应力为4.7 MPa，最大水平应力为 10.5 MPa，方向 N55°W。煤岩体物理力学参数见表1，本方案共模拟了4种不同的混凝土支柱布置方式，方案1：排距1.8 m，间距1.8 m；方案2：排距2 m，间距1.8 m；方案3：排距2.2 m，间距1.8 m；方案4：排拒2 m，间距2.4 m。4种布置方案中靠工作面侧支柱与煤壁的距离均为500 mm，数值计算模型如图2所示，煤岩物理力学参数见表1。

图2 数值计算模型

工作面回采过程破坏了煤场原有应力平衡状态，引起煤体内部应力的重新分布，在工作面前方出现超前支承压力，形成采动应力场。当工作面回采至距主回撤通道10 m时，围岩应力分布如图3所示，工作面前方及主辅回撤通道之间联巷两侧煤体均出现应力集中现象，最大垂直应力达到14.58 MPa，此时作为主回撤通道内部支护系统的锚杆、锚索及其护表构件发挥支护作用，抵抗顶板在超前支承压力下的下沉变形；当顶板继续下沉使得高密度板出现受压变形时，顶板荷载进一步传递到混凝土支柱上，支柱开始发挥支撑作用。不同间排距布置方式下，混凝土支柱承受的载荷也不同。不同布置方案下模拟结果显示混凝土支柱受到的垂直应力分别为5.82、7.00、7.67、6.42 MPa(图4)，靠近工作面侧支柱垂直应力比远离工作面侧的大3 MPa左右，总体而言混凝土支柱承受载荷不大，能够满足回撤通道支护稳定性要求。

图3 模拟后的围岩垂直应力分布

图4 模拟后的混凝土支柱垂直应力分布

工作面与主回撤通道完全贯通后混凝土支柱出现明显应力集中现象(图5—图7)，靠近回采工作面侧支柱中上部呈现明显压应力集中区，而远离工作面侧混凝土支柱压应力显现值略小。图6中4种不同布置方案下混凝土支柱受到的最大压应力分别为28.26、28.85、29.63和30.45 MPa。从支柱拉应力分布云图来看，远离工作面侧混凝土支柱中部位置受到拉应力作用，图7中4种不同布置方案下支柱受到的最大拉应力分别为0.41、0.48、0.56和0.60 MPa。可见，混凝土支柱布置方式不同，支柱承受工作面顶板破断向采空区回转过程中传导的载荷也不同。方案设计采用混凝土强度等级为C30，而在方案3、4布置方案下支柱承受最大压应力值已接近或超过混凝土抗压强度峰值，支柱易发生破坏失稳；同时混凝土支柱为刚性体，受较高拉应力会导致柱体内部弱面(如水泥与石子接触面)发生相对滑移变形而使支柱削弱或失去承载能力，故从应力角度分析方案1、2更优。混凝土支柱塑性破坏区分布显示(图8)，支柱受力超过峰值后会出现不同程度塑性变形，尤其是支柱接顶板、接底板部分段更易出现剪切变形破坏。布置方式不同，支柱承受顶板载荷而发生塑性破坏的区域分布也不同，靠近工作面侧支柱基本都发生不同程度塑性破坏，而远离工作面侧支柱很少发生塑性变形。方案1布置下仅在靠近主辅回撤通道联巷附近支柱顶部出现少量剪切破坏；方案2布置下靠工作面侧支柱底角处和靠近联巷处柱体顶部出现少量塑性破坏；方案3布置下靠工作面侧混凝土支柱底角处和顶部均出现剪切破坏，而远离工作面侧支柱只在顶部出现少量剪切破坏；方案4布置下靠近工作面侧支柱顶部和底部均出现一定程度拉伸、剪切破坏，而远离回采工作面侧支柱基本未发生破坏，分析认为是由于靠近工作面侧支柱承受了末采期间顶板破断回转产生的大部分载荷而远离工作面侧支柱承担载荷较少的缘故。对比发现方案1、2塑性破坏区分布范围较少，能够满足方案设计要求，而方案3、4中支柱发生剪切破坏、拉伸破坏区域较多，支柱完整性受到较大影响，难以有效支撑回撤通道顶板，故从支柱塑性破坏区分布来看方案1、2更优。结合数值模拟结果，综合考虑施工工序、作业空间、施工成本等因素，选择采用方案2，在回撤通道中共安设250根混凝土支柱，其中靠工作面侧支柱与煤壁距离为500 mm，支柱间排距为1 800 mm×2 000 mm(中心距)，主回撤通道联合支护方式如图9所示。

图5 工作面回采结束后混凝土支柱垂直应力分布

图6 工作面回采结束后混凝土支柱压应力分布

图7 工作面回采结束后混凝土支柱拉应力分布

图8 工作面回采结束后混凝土支柱塑性区分布

图9 主回撤通道联合支护方式

4 矿压监测结果分析

采用在线矿压监测系统对工作面与主回撤通道贯通前后巷道变形、锚杆锚索受力及混凝土支柱变形情况进行监测分析，结果显示当工作面剩余煤柱(约5 m)发生脆性破碎失稳后，回撤通道内顶锚杆、锚索受力开始快速增加，并在工作面贯通前基本都达到了峰值或受力趋于稳定，但最终受力普遍不大，均未达到屈服状态，锚索最大受力约为245 kN；各区域锚杆受力分布不均，靠近混凝土支柱附近锚杆受力明显小于没有支柱支护附近的锚杆；回撤通道最大顶底板移近量出现在通道中部靠工作面侧约为100 mm，而在混凝土支柱支撑处巷道顶板较完整，顶板下沉量较小；靠工作面侧混凝土支柱受力普遍大于远离工作面侧支柱，表明在工作面剩余煤柱整体脆性破坏失稳后，靠工作面侧支柱承担了顶板破断向采空区回转产生的大部分载荷。现场发现4根混凝土支柱发生劈裂破坏，其余支柱均保持了较好的完整性，分析一方面是由于个别支柱预留接顶空间不足导致叠放的高密度板层数较少，顶板荷载较大部分直接传递到支柱上将其压坏；另一方面个别支柱充填袋由于纵向缝合扎口处开裂降低了对柱体的横向约束，柱体受压产生过大横向变形而降低了承载能力。总的来说，在工作面末采期间主回撤通道各支护体表现基本稳定，巷道变形得到有效控制，充分保证了设备回撤空间，混凝土支柱经采煤机直接破碎后利用带式输送机系统外运，避免了垛式支架反复挪移，有效提高了工作面设备回撤速度。

5 结论及建议

1)混凝土支柱与锚杆(索)联合支护系统可以有效控制工作面末采期间回撤通道变形，支柱可被采煤机直接破碎后利用带式输送机系统外运，避免了垛式支架来回安设挪移，提高了工作面末采回撤速度、降低了搬家费用。

2)数值模拟表明当工作面回采至煤柱宽10 m时，回撤通道两侧煤体及混凝土支柱出现明显的垂直应力集中；当工作面与主回撤通道贯通时，4种不同布置方案下支柱最大压应力可达30.45 MPa，最大拉应力可达0.60 MPa，靠近工作面侧支柱受力明显大于远离工作面侧，且靠近工作面侧支柱易出现不同程度的塑性破坏状态，尤其是支柱接顶板、接底板部分段更易出现剪切变形而发生失稳破坏。

3)矿压监测结果表明混凝土支柱有效改善了锚杆锚索的受力状态，末采期间锚杆锚索未发生破断现象，顶底板最大移近量约100 mm，混凝土支柱在抵抗顶板破断向采空区旋转过程中起到了关键支撑作用。

4)混凝土支柱充填材料、充填袋及接顶处理工作对支柱性能发挥影响很大，应进一步加大对替代充填材料、可回收式混凝土墩柱及支柱受力监测仪器的研发，拓展支柱在工作面末采回撤、沿空留巷及过空巷中的应用研究。