30107綜放沿空掘巷窄煤柱設(shè)計研究

馮昭軍

摘 要：為提高礦井采出率，增加礦井經(jīng)濟效益，本文以30107綜放工作面為背景，采用數(shù)值模擬軟件和雷達探測進行煤柱寬度優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)煤柱寬度對回采巷道進行合理支護設(shè)計。研究表明：留設(shè)5m窄煤柱較為合理，頂板錨桿長度2.2m，兩幫錨桿長度1.8m，直徑18mm，錨索規(guī)格Φ15.5×5000mm，可實現(xiàn)大量釋放煤炭資源。

關(guān)鍵詞：綜放;沿空掘巷;窄煤柱

中圖分類號：TD353 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0171-02

依照多出煤炭，多出效益的技術(shù)思路，為保障礦井安全生產(chǎn)，對30107綜放工作面進行窄煤柱沿空掘巷設(shè)計，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)安全高效開采。

1 工程概況

1.1 礦井布局及接續(xù)情況

（1）采掘布局情況。礦井目前布置有1個生產(chǎn)盤區(qū)：301盤區(qū);2個準(zhǔn)備盤區(qū)：302和303盤區(qū)。1個采煤工作面：30108綜采工作面;2個掘進工作面：一水平北翼輔助運輸大巷延伸和30107工作面切眼刷擴。

（2）生產(chǎn)接續(xù)。采煤：30108工作面剩余可采量作為礦井驗收，暫不回采，接續(xù)工作面為30107工作面。掘進：年底計劃完成30107工作面切眼剩余刷擴工作，完成一水平北翼皮帶大巷、帶式輸送機大巷和回風(fēng)大巷延伸掘進各510m，完成30110工作面回采巷道掘進任務(wù)。

1.2 工作面概況

30107工作面東側(cè)為大巷保安煤柱;南側(cè)為一采區(qū)30105工作面采空區(qū);西側(cè)為井田邊界;北側(cè)為30109工作面（未開采區(qū)）。工作面開采延安組3號煤，煤厚10.5m，煤層結(jié)構(gòu)簡單?？刹勺呦蜷L度1414.5m，傾向長度200m，可采儲量315萬t。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2 窄煤柱合理尺寸確定

2.1 數(shù)值模擬計算

模型的幾何尺寸比較大，寬×高為400m×290m，左、右邊界分別模擬到了30105工作面采空區(qū)和30109工作面，考慮到軟件對模型單元數(shù)的限制和研究對象的區(qū)域集中性，3煤本身及其頂?shù)装甯浇鼑鷰r網(wǎng)格劃分的較密，而模型邊界附近的網(wǎng)格劃分的較疏。

圖1中等值線間隔值為0.1，巷道位于K=1.3～1.2區(qū)域內(nèi)。將意味著巷道掘進后兩幫將會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的變形與破壞。圖中白色區(qū)域為巷道圍巖塑性區(qū)范圍。

皮帶巷側(cè)支承壓力集中系數(shù)k等值線圖及下幫5m處巷道圍巖應(yīng)力皮帶巷支承壓力集中系數(shù)k等值線圖如圖2所示。

圖中等值線間隔值為0.1。煤柱寬度0m時K=0.9～1.0，煤柱寬度0～2m時巷道位于K=1.0～1.1，煤柱寬度2～3m時K=1.1～1.2， 煤柱寬度3～5m時K=1.2～1.3區(qū)域，煤柱寬度大于7～8m后應(yīng)力急劇升高，煤柱寬度10m時K=17～1.8區(qū)域?？梢娒褐鶎挾炔粦?yīng)大于7～8m，而且原則上以不留煤柱掘進巷道最為有利。

2.2 圍巖松動圈雷達探測成果分析

圍巖松動邊界確定：分析雷達探測成果可知，在約2.5m處雷達波的同相軸很明顯，再向深處則波幅迅速衰減，依據(jù)探地雷達的基本原理，可以判定此處為巷道圍巖松動圈的邊界位置。

圍巖松動范圍變化規(guī)律：從總的趨勢來看，由邊緣向工作面中央?yún)^(qū)域，松動圈范圍由大變小，反映出應(yīng)力分布亦呈由大到小的規(guī)律。

由此得到以下結(jié)論：距30105采空區(qū)10～39.6m段巷道圍巖松動圈最大，此位置圍巖應(yīng)力水平較高，因此不宜將30107軌道順槽布置在該區(qū)域內(nèi)，即合理煤柱寬度應(yīng)小于8m。

2.3 煤柱尺寸

綜合上數(shù)值模擬及雷達控測分析結(jié)論，30107軌道順槽合理位置為距采空區(qū)邊緣4～5m左右，同時考慮防火、水和瓦斯的原因，與采空區(qū)留設(shè)5m窄小煤柱進行布置。

3 工作面回采巷道支護設(shè)計

3.1 支護設(shè)計原則

由于沿空巷道松動范圍較大，尤其是在4～5m小煤柱情況下，巷道單獨采用錨桿支護在安全上不太可靠，因而需要采用錨網(wǎng)索梯聯(lián)合支護，其中均以錨桿主動加固為主，錨索支護的作用主要是防止頂板離合。

錨桿設(shè)計應(yīng)遵循“高錨固力、高預(yù)緊力、高可靠性”設(shè)計原則，確保安全生產(chǎn)。同時在錨桿設(shè)計中，還應(yīng)考慮沿空巷道兩幫壓力大小不同的問題（小煤柱巷道實體幫壓力偏大），以及“動載影響”問題。

3.2 支護參數(shù)設(shè)計

（1）錨桿間排距。考慮到目前煤礦的錨桿質(zhì)量與施工機具的影響，沿空巷道錨桿間排距不宜大于0.9m，故取設(shè)計間距800mm，排距900mm。

（2）錨桿設(shè)計參數(shù)的確定。

①錨桿長度。根據(jù)已確定的30107工作面回采巷道煤柱寬度，在已形成的支承壓力狀態(tài)下掘進巷道，模擬分析巷道松動范圍與破碎程度，據(jù)此確定錨桿長度，并分析是否需要采用錨索并確定錨索長度。

以5m煤柱為條件，模擬得到巷道垂直位移分布，頂板垂直位移在巷道表面最大，隨著距離巷道頂板高度的增加，變形逐漸減小。不同高度的位移值見表2。

從表2變化規(guī)律看，50%以上的變形都集中在頂板以上0-1.6m的范圍內(nèi)，在1.6m之外變形迅速減小，表明頂板的松動范圍為1.6m左右。因此，錨桿有效長度應(yīng)不小于1.8m，而之外部分由錨索承擔(dān)。故此確定，頂板錨桿設(shè)計長度為2.2m，兩幫設(shè)計長度為1.8m。

②錨固力的確定。樹脂錨固錨桿錨固力Pm，由錨桿屈服強度Pg、樹脂對桿體的包裹力Pb、樹脂與孔壁巖石粘結(jié)力Pr三部分中的最小值確定，即：Pm=min{Pg，Pb，Pr}

數(shù)值模擬計算得到的5m煤柱沿空巷道頂板最大變形與錨桿屈服強度之間的關(guān)系，即umax-Pg關(guān)系見表3。

由表3可見，隨著錨桿錨固力的增加，巷道變形逐漸降低，但降低的幅度不同。當(dāng)錨固力小于10t時變化明顯，大于10t以后變化相對平穩(wěn)。因此錨桿強度不應(yīng)小于10t。此外，在復(fù)雜采動條件下，沿空巷道需經(jīng)受動載影響，因此還需要考慮“動載影響系數(shù)”。為此，在靜力學(xué)分析模型基礎(chǔ)上，采用動力學(xué)模擬方法，對錨桿受動載作用下的受力情況進行了研究，取動載影響系數(shù)為1.2，則沿空巷道的錨桿錨固力設(shè)計為12t。

③錨桿桿體強度及直徑。錨桿桿體強度Pg≥錨固力，故設(shè)計為12t，通過已知桿體強度，根據(jù)采用的螺紋鋼抗拉強度，可以得到錨桿直徑。螺紋鋼抗拉屈服強度Rt為500MPa，則錨桿直徑（mm）為：

將已知量代入，計算錨桿理論值為16mm，同時結(jié)合周邊煤礦開采實際，取錨桿直徑設(shè)計值為18mm。

（3）錨索布置方式。錨索支護的間距為：3000mm，巷中單排布置，規(guī)格為Φ15.5×5000mm鋼絞線，托盤為圓托盤D=200×18mm（或增大錨餅長×寬×厚：350×350×10mm），采用4卷MSZ2350#樹脂錨固劑，預(yù)緊力不少于8～10t。

4 設(shè)備安裝

30107工作面采用大采高回采工藝，后退式綜采放頂煤采煤法，使用高壓注水進行頂煤預(yù)裂。30107工作面需要安裝ZYF18000/29/55D型中間液壓支架92架，過渡支架ZFG18600/29.5/50D型液壓支架7架（溜頭3架、溜尾4架），運順端頭安裝ZTZ20000/25/47D型端頭支架1組，運順安裝ZTCY20000/25/47D型超前支架1組，回順安裝ZTCH 39100/25/47D型超前支架1組，工作面安裝MG900/2245-GWD型雙滾筒采煤機1部，工作面安裝SGZ-1000/2*855刮板輸送機2部各200m，運順安裝SZZ1350/700型轉(zhuǎn)載機一部，長度為70m，PLM4000型破碎機一部，電控液壓移動列車組1套，可伸縮膠帶輸送機一部，長度為1650m。在30106聯(lián)巷內(nèi)根據(jù)設(shè)計改造綜采遠距離集中供液設(shè)備硐室，共放置3臺BRW630/37.5型高端智能乳化液泵，2臺BPW800/16型高端智能噴霧泵。

5 結(jié)語

30107工作面采用留設(shè)5m窄小煤柱進行沿空掘巷，可回收煤炭資源7.4萬余噸，提高礦井采出率，增加礦井經(jīng)濟效益，實現(xiàn)礦井高產(chǎn)集約化生產(chǎn)。

參考文獻

[1] 張愛軍.綜放沿空掘巷窄煤柱寬度合理性研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報，2018，31（6）：4-7.

[2] 郭帆，劉春永，閆靜.厚煤層綜放工作面沿空掘巷支護技術(shù)研究與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2018（18）：159-160.

[3] 孫福玉.綜放開采窄煤柱沿空掘巷圍巖失穩(wěn)機理與控制技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46（10）：149-154.

[4] 張鵬鵬，郝兵元，王凱，等.綜放開采沿空掘巷小煤柱寬度留設(shè)及支護技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46（5）：40-46.