沿空掘巷預(yù)留煤柱寬度及支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘 要：煤柱留設(shè)寬度和位置合理與否，直接關(guān)系到本層位煤層在回采過(guò)程中煤柱受力狀態(tài)，所選擇的巷道支護(hù)方式對(duì)巷道圍巖的穩(wěn)定性有決定性的影響。本文通過(guò)數(shù)值模擬，計(jì)算優(yōu)化確定了預(yù)留煤柱的合理范圍以及巷道錨桿支護(hù)方案與具體參數(shù)。

關(guān)鍵詞：煤柱 數(shù)值模擬 支護(hù) 應(yīng)力 位移

中圖分類號(hào)：TD353 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（c）-0061-05

煤柱寬度是綜采沿空巷道布置系統(tǒng)中最重要的方面，煤柱寬度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響體現(xiàn)在兩方面：一是煤柱寬度決定了沿空巷道的布置位置，從而決定了沿空巷道的整體應(yīng)力狀態(tài)；二是煤柱寬度影響著護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性，進(jìn)而直接影響著巷道的整體穩(wěn)定性。合理的支護(hù)方案，不僅可以增加巷道圍巖的穩(wěn)定性，從而為礦井的正常生產(chǎn)提供保障，還可以節(jié)約大量的支護(hù)材料費(fèi)用。

新橋煤礦2203膠帶順槽為沿空巷道，2203工作面下相鄰的2201工作面已開(kāi)采完畢。

1 沿空掘巷預(yù)留煤柱合理寬度的確定

為大致確定煤柱的合理寬度，在煤柱中部沿煤壁向內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)線，如圖1所示，按埋深550 m估算，該處垂直原巖應(yīng)力約14～15 MPa左右，水平原巖應(yīng)力8～9 MPa左右，相鄰工作面開(kāi)采結(jié)束后，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力集中區(qū)分布大致為：0～6 m范圍為應(yīng)力增高區(qū)，7～14 m范圍為峰值應(yīng)力區(qū)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值位置距煤壁距離約1 2 m左右，應(yīng)力峰值近25 MPa，垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.9，15～20 m為應(yīng)力降低區(qū)，16 m以后應(yīng)力明顯較低，21 m以后應(yīng)力水平接近原巖應(yīng)力。水平應(yīng)力分布狀況近煤壁處變化劇烈，且整體水平應(yīng)力相對(duì)較小，約20 m后恢復(fù)到原巖應(yīng)力，如圖2所示，這種應(yīng)力狀態(tài)與煤層傾角和采空區(qū)位置有關(guān)。

結(jié)合煤柱內(nèi)部監(jiān)測(cè)線應(yīng)力分布狀況，煤柱的合理寬度應(yīng)該在3～5 m?，F(xiàn)分別研究煤柱寬度為2.5 m、3.5 m、4.5 m、5.5 m時(shí)沿空巷道圍巖穩(wěn)定性及應(yīng)力分布狀況。計(jì)算機(jī)模擬上述煤柱寬度下的巷道圍巖應(yīng)力分布和位移場(chǎng)，如圖3～4。

由圖4可以看出，高應(yīng)力區(qū)距巷道都比較遠(yuǎn)，且此類型巷道的應(yīng)力集中區(qū)主要分布在巷道左上角和右下角，方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予考慮。當(dāng)煤柱寬度為2.5 m時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力集中，巷道整體變形十分嚴(yán)重，煤柱相當(dāng)不穩(wěn)定，不利于支護(hù)和安全生產(chǎn)。而煤柱寬度為3.5 m、4.5 m和5.5 m時(shí)，巷道應(yīng)力較小，巷道變形不明顯，且變形量相差不多，煤柱完整性好，利于支護(hù)和安全生產(chǎn)。

綜上所述，考慮經(jīng)濟(jì)合理性和較高的采出率兩個(gè)因素，確定煤柱寬度為3～4 m。

2 沿空掘巷支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

選擇兩種支護(hù)方案，然后通過(guò)數(shù)值模擬，比較回采期間不同支護(hù)方案效果。

方案一（基本設(shè)計(jì)）。

（1）巷道頂板采用5根高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿加3.8 m長(zhǎng)M4型鋼帶、菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為Φ20×2200 mm，每根錨桿采用兩節(jié)ZK2335型樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿間距850 mm，排距800 mm。錨桿預(yù)緊力不小于50 kN，錨固力不小于120 kN。

（2）巷道高幫采用5根高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿加1.8 m長(zhǎng)M4型鋼帶、菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為Φ18×2000 mm。每根錨桿采用兩節(jié)ZK2550型樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿間距為800 mm，排距均為800 mm。錨桿預(yù)緊力不小于50 kN，錨固力不小于100 kN。

（3）巷道低幫采用3根高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿加1.8 m長(zhǎng)M4型鋼帶、鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為Φ18×2400 mm，每根錨桿采托盤，在用兩節(jié)ZK2550型樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿間距750 mm，排距800 mm。錨桿預(yù)緊力不小于50 kN，錨固力不小于100 kN。

（4）頂板錨索按隔一行的五花布置，鋼絞線規(guī)格為Φ17.8×6.3 m，錨索托盤采用與M4型鋼帶配套的M型，在托盤與索具間加一平墊板。每孔采用四節(jié)ZK23350樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，以保證錨固效果。錨索預(yù)緊力不低于80 kN，錨固力不低于150 kN。

（5）每?jī)膳配搸е虚g位置布置一套高預(yù)應(yīng)力縱向桁架系統(tǒng)，鋼絞線規(guī)格為Φ17.8×6.3 m，槽鋼梁規(guī)格為14#、長(zhǎng)2.2 m、兩眼孔距1.6 m，桁架兩根鋼絞線分別穿過(guò)槽鋼梁兩頭的眼孔，槽鋼梁下眼孔距底板300 mm，槽鋼梁平行幫部鋼帶鋪設(shè)，分別向頂帶45°、底30°角施工于巷幫圍巖中，上眼深4.5 m，下眼深3.0 m，鋼絞線外露部分通過(guò)專用鎖具張拉固定于幫部槽鋼梁。桁架鋼絞線每孔采用四支ZK2550樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，以保證錨固效果；桁架排距為1.6 m，預(yù)緊力不低于80 kN，錨固力不低于120 kN。幫部桁架距迎頭不大于10 m安裝。

方案二（除去桁架和幫部鋼帶）。

（1）巷道頂板采用5根高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿加3.5 m長(zhǎng)M4型鋼帶、菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為Φ20×2200 mm，每根錨桿采用兩節(jié)ZK2550型樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿間距700 mm，排距800 mm。錨桿預(yù)緊力不小于50 kN，錨固力不小于200 kN。

（2）巷道高幫采用5根高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿，菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為Φ18×2000 mm。每根錨桿采用兩節(jié)ZK2550型樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿間距為700 mm，排距均為800 mm。錨桿預(yù)緊力不小于50 kN，錨固力不小于200 kN。

（3）巷道低幫采用3根高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿，鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為Φ20×2400 mm，每根錨桿采用兩節(jié)ZK2550型樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿間距700 mm，排距800 mm。錨桿預(yù)緊力不小于50 kN，錨固力不小于200 kN。

（4）頂板錨索每?jī)尚幸桓?，鋼絞線規(guī)格為Φ17.8×6.3 m，錨索托盤采用400×200×10 mm大鐵托盤。每孔采用四節(jié)ZK2550樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，以保證錨固效果。錨索預(yù)緊力不低于80 kN，錨固力不低于250 kN。

當(dāng)留巷煤柱寬度為3.5 m時(shí)，對(duì)上述2種支護(hù)方案進(jìn)行模擬，得出掘進(jìn)期間巷道圍巖水平應(yīng)力分布、垂直應(yīng)力分布和位移場(chǎng)分布如圖5～7。

從圖7中分析可以得出以下結(jié)論：（1）回采期間，兩種種支護(hù)方案下的巷道圍巖水平應(yīng)力在28～33 MPa左右，垂直應(yīng)力在55～60 MPa左右，應(yīng)力顯著增加，應(yīng)力主要集中在巷道左上角和右下角。（2）回采期間，方案一支護(hù)下的巷道圍巖變形量較小，方案二由于又去掉了幫部鋼帶，兩幫位移量明顯增加，進(jìn)一步影響巷道的頂、底，使頂、底位移量增加。（3）綜合上面兩條結(jié)論可以認(rèn)為，回采期間由于圍巖應(yīng)力的急劇增加，由方案二支護(hù)的巷道變形量已經(jīng)影響到安全生產(chǎn)，因此建議采用方案一設(shè)計(jì)進(jìn)行支護(hù)。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬分析和計(jì)算，并考慮經(jīng)濟(jì)合理性和回采率等實(shí)際因素，得到2203沿空掘巷合理的煤柱寬度為3～4 m，最后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際留設(shè)煤柱寬度為3.5 m。經(jīng)過(guò)兩種支護(hù)方案的數(shù)值模擬分析和計(jì)算，并考慮到與現(xiàn)場(chǎng)的差異，最后確定采用方案一進(jìn)行本試驗(yàn)巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)，即采用高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿、高預(yù)緊力錨索、M4型鋼帶加金屬網(wǎng)聯(lián)合控制巷道頂板；高強(qiáng)樹(shù)脂錨桿、M4型鋼帶、雙抗網(wǎng)與菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)巷道兩幫，沿空煤柱側(cè)附加采用預(yù)應(yīng)力桁架控制煤幫穩(wěn)定與變形。