礦井合理煤柱寬度確定與巷道支護(hù)技術(shù)研究

楊龍龍

摘要：合理的護(hù)巷煤柱寬度及支護(hù)參數(shù)對(duì)提升礦井的煤炭采收率及保證巷道的安全都具有重要的意義。文中以2603回采工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)為工程背景，采用數(shù)值模擬技術(shù)手段對(duì)不同的煤柱寬度進(jìn)行模擬分析，在確定合理煤柱為25m的情況下，對(duì)巷道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)果表明采用的護(hù)巷煤柱寬度及巷道支護(hù)參數(shù)可以對(duì)2603回風(fēng)巷的安全使用。

關(guān)鍵詞：煤柱寬度;巷道支護(hù);圍巖變形

一般情況下，我國(guó)礦井巷道采用煤柱對(duì)巷道進(jìn)行保護(hù)，煤柱寬度過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致寶貴的煤炭資源造成浪費(fèi)，煤柱寬度過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致巷道出現(xiàn)較大的變形，影響回采工作面的正常推進(jìn)，因此，加大對(duì)護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度的研究，并合理進(jìn)行巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)保證礦井安全高效生產(chǎn)具有重要意義。文中以山西某礦2803回采工作面為工程背景，采用數(shù)值模擬手段對(duì)合理煤柱寬度進(jìn)行分析，并根據(jù)巷道具體地質(zhì)情況對(duì)巷道進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)。

1工程概況

山西某礦2803回采工作面位于礦井東南側(cè)二采區(qū)，開采8號(hào)煤層，煤層的平均厚度為3.6m。2803回采面東側(cè)為已經(jīng)開采完畢的2801回采面采空區(qū)，西側(cè)為實(shí)體煤，南惻為井田邊界，北側(cè)為二采區(qū)主要運(yùn)輸巷。設(shè)計(jì)的2803回采面走向長(zhǎng)度為870m，傾斜長(zhǎng)度為186m。采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，現(xiàn)2803 工作面回風(fēng)巷正待掘進(jìn)。8號(hào)煤層的頂板為厚度為3m的泥巖，老頂是厚度在25m的中砂巖;煤層底板為厚度在2m的砂質(zhì)泥巖，直接底為厚度在14m的細(xì)砂巖。

2模擬分析

根據(jù)2803回采工作面及鄰近的回采面護(hù)巷煤柱的留設(shè)寬度，利用FLAC模擬軟件對(duì)lOm、20m、30m、40m等不同情況下煤柱寬度進(jìn)行分析，對(duì)煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布、塑形變形情況進(jìn)行分析，從而合理的確定煤柱的留設(shè)寬度。根據(jù)回采工作面的實(shí)際情況，在建立的數(shù)值模擬模型中上部施加5MPa垂直應(yīng)力，固定模型的下部，左、右側(cè)邊界。建立的數(shù)值模擬模型如圖1所示。

2.1塑形區(qū)分析

當(dāng)采用lOm護(hù)巷煤柱時(shí)，煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)全部貫通，煤柱中間未存在有彈性區(qū)，煤柱整體遭到破壞，煤柱整體穩(wěn)定性較差，隨著護(hù)巷煤柱寬度的不斷增加，煤柱的整體穩(wěn)定性有所增加;當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為20m時(shí)，在靠近2601回采工作面采空區(qū)側(cè)煤柱的塑性區(qū)寬度約為8.5m，護(hù)巷煤柱內(nèi)部存在有一定寬度的彈性區(qū)，煤柱能夠保持整體為穩(wěn)定;當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為30-40m時(shí)，護(hù)巷煤柱內(nèi)在2601采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)及開采巷道側(cè)的塑性區(qū)寬度基本保持不變，煤柱中部的彈性區(qū)范圍不斷增加。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，護(hù)巷煤柱寬度超過一定值之后，煤柱寬度的增加并不能有效的增加開采巷道的穩(wěn)定性，但是會(huì)造成煤炭資源的浪費(fèi)。

2.2應(yīng)力分析

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)采用護(hù)巷煤柱寬度為lOm時(shí)，回采工作面?zhèn)让娌煽諈^(qū)造成的應(yīng)力集中與巷道開采造成的應(yīng)力集中出現(xiàn)重疊，煤柱承受較大的支撐壓力，不利于護(hù)巷煤柱的整體穩(wěn)定，隨著護(hù)巷煤柱寬度的不斷增加（ 20m、30m、40m），在護(hù)巷煤柱中形成由于采空區(qū)以及巷道開采引起的應(yīng)力集中，各位于護(hù)巷煤柱兩側(cè)，巷道內(nèi)部應(yīng)力峰值不斷減小。當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度為10-20m時(shí)，在護(hù)巷煤柱中存在由2601回采面采空區(qū)以及2603進(jìn)風(fēng)巷巷道掘進(jìn)的應(yīng)力集中值，應(yīng)力集中峰值大小分別為10.6MPa以及12.4MPa，隨著護(hù)巷煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布曲線由單峰狀變成雙峰狀，護(hù)巷煤柱內(nèi)部的應(yīng)力峰值分別在9.3MPa以及8.4MPa.煤柱內(nèi)的應(yīng)力變化較為平緩，煤柱中的應(yīng)力峰值降低，煤柱的整體受力更趨于均勻。具體如圖2所示。

3巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

通過模擬分析可以知道，2603回采面合理的巷道合理的寬度不應(yīng)小于25m，在這樣的寬度下，護(hù)巷煤柱內(nèi)的塑性區(qū)分布及應(yīng)力分布均較合理，因此，在25m煤柱寬度時(shí)對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。2603回風(fēng)巷位于2601回采面采空區(qū)下側(cè)，巷道頂板受到采空區(qū)側(cè)向壓力作用明顯。

2603回風(fēng)巷位于2601回采面采空區(qū)下方，巷道頂板位置距離采空區(qū)頂板距離在Sm左右，受到鄰近回采的動(dòng)壓影響，2603回風(fēng)巷將會(huì)出現(xiàn)較大的底鼓及頂板變形，局部區(qū)域容易破碎，巷道支護(hù)較為困難。針對(duì)上述情況，需要對(duì)2603回風(fēng)巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，采用的具體支護(hù)方式為：錨桿+T字鋼+金屬網(wǎng)+噴漿的聯(lián)合支護(hù)方式，錨桿的支護(hù)間排距均為900mm，采用的錨桿直徑為18mm，長(zhǎng)度在2lOOmm。

通過模擬方式對(duì)采用的巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行分析，采用錨桿支護(hù)后施加預(yù)應(yīng)力造成的應(yīng)力疊加區(qū)出現(xiàn)疊加，并將錨桿支護(hù)區(qū)域形成一個(gè)連續(xù)的整體，在支護(hù)空間形成整體的支護(hù)結(jié)構(gòu)。在巷道的頂板以及兩幫區(qū)域內(nèi)，均產(chǎn)生一定厚度，范圍較大的壓應(yīng)力區(qū)，頂板處形成的壓應(yīng)力區(qū)在2MPa，在巷道兩幫形成的壓應(yīng)力區(qū)的大小在4MPa左右，巷道支護(hù)形成的壓應(yīng)力區(qū)范圍覆蓋整個(gè)巷道支護(hù)空間。

采用上述支護(hù)方式后，對(duì)巷道頂?shù)装寮皟蓭臀灰屏窟M(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，頂板的最大變形量在50mm，底板的最大底鼓量在38mm，巷道的煤柱幫變形量在26mm，實(shí)體煤幫的變形量在2lmm.表明采用的巷道支護(hù)方式可以有效的對(duì)巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)。

4總結(jié)

根據(jù)礦井的實(shí)際地質(zhì)資料，分別對(duì)2603回風(fēng)巷lOm-40m等4個(gè)不同護(hù)巷寬度下，巷道內(nèi)的垂直應(yīng)力，塑性區(qū)分布情況進(jìn)行模擬分析，在考慮巷道安全、煤柱穩(wěn)定以及煤炭采收率的基礎(chǔ)上，綜合確定合理的護(hù)巷煤柱寬度為25m，并對(duì)25m煤柱寬度下的巷道支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)可以有效的維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定，保證巷道安全使用。

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