特厚煤層區(qū)段煤柱合理寬度研究及巷道支護(hù)優(yōu)化

王 琦，宋選民，王仲倫，劉國(guó)方，曹健潔，劉一揚(yáng)

(太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

區(qū)段煤柱的寬度直接影響煤柱的承載能力、支承壓力分布及煤柱穩(wěn)定性[1]，在保證煤柱和巷道穩(wěn)定的條件下，通過(guò)減小留設(shè)煤柱寬度提高資源利用率具有重要意義。因此，研究特厚煤層條件下區(qū)段煤柱的合理寬度和巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)已然成為了厚煤層綜放開(kāi)采亟待解決的技術(shù)難題[2-5]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，并取得相應(yīng)的成果。韓承強(qiáng)等[6]主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法分析了采動(dòng)過(guò)程中窄煤柱的應(yīng)力分布及破壞規(guī)律，并給出了適合崔莊煤礦區(qū)段窄煤柱合理寬度的建議。劉增輝等[7]基于上榆泉10#煤層實(shí)際的生產(chǎn)條件，選擇利用相似材料制作合適的物理模型，將回采巷道放置在回采推進(jìn)的方向，隨著回采工作面的逐漸向前推進(jìn)，回采巷道和回采工作面之間的動(dòng)態(tài)煤柱不斷縮小，依據(jù)回采巷道斷面變形規(guī)律以及其圍巖破壞特征，得到了適合上榆泉煤礦的合理區(qū)段保護(hù)煤柱的尺寸。

本文以韓家洼煤礦22401工作面為背景，分析了巷道在原支護(hù)方案下的原因與變形特征，通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬以及工程類比相結(jié)合的方法最終確定合理的留設(shè)寬度和最優(yōu)化的支護(hù)設(shè)計(jì)方案，有效地控制了圍巖變形，并為類似巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供了借鑒。

1 工程概況

韓家洼煤礦22401工作面底板標(biāo)高1 265～1 280 m，地面標(biāo)高1 510～1 570 m，煤層平均厚度13.6 m，在煤層間分布4層0.37～0.66 m厚黑色泥巖夾矸，直接頂為1.43 m厚的細(xì)粒砂巖，老頂為13.40 m厚的細(xì)砂巖，22401工作面直接頂及偽頂不發(fā)育。偽頂為炭質(zhì)泥巖及粉砂巖，僅分布于個(gè)別地段；直接頂分布于井田東北部，707號(hào)孔見(jiàn)直接頂，以砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，次為泥巖、高嶺質(zhì)泥巖，厚1.10 m，中厚層狀，膠結(jié)致密，穩(wěn)定性較好。老頂全井田均有分布，巖性為砂礫巖及粗細(xì)砂巖，厚4.20～26.93 m，一般4～6 m，穩(wěn)定性好。底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及少量的炭質(zhì)泥巖。韓家洼煤礦為無(wú)沖擊地壓傾向性礦井，所采22號(hào)煤層不易自燃，煤層地質(zhì)與水文地質(zhì)簡(jiǎn)單。圖1為工作面布置及煤柱方位圖，圖2為韓家洼鉆孔柱狀圖。

圖1 工作面布置及煤柱方位圖Fig.1 Working face layout and coal pillarorientation map

圖2 韓家洼鉆孔柱狀圖Fig.2 Histogram of Hanjiawa borehole

圖3為一組22401工作面順槽原有30 m區(qū)段煤柱時(shí)巷道圍巖變形圖。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，巷道頂板存在煤體隨掘隨落的情況，局部表現(xiàn)出不規(guī)則不平整的特征，由圖3(a)可知，頂板冒落，斷面不再是矩形，且鋼帶變形嚴(yán)重?，F(xiàn)有支護(hù)中，部分頂板錨索布置過(guò)于集中，難以與錨桿協(xié)同支護(hù)。在使用120 mm的托盤時(shí)，其本身變形嚴(yán)重。22401工作面采用綜放開(kāi)采，具有較大的揭露空間，增加了頂板的活動(dòng)空間，同時(shí)加大了基本頂懸臂梁結(jié)構(gòu)的彎矩，使得工作面上覆巖層冒落高度及裂隙帶高度也有所增大，工作面超前支承壓力及工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯岛芨撸绊懛秶草^大，嚴(yán)重破壞了前方回采巷道的穩(wěn)定性。

圖3 工作面順槽原有支護(hù)條件Fig.3 Original supporting conditions of working face along the groove

2 小煤柱合理寬度理論計(jì)算分析

2.1 穩(wěn)定核區(qū)理論計(jì)算

穩(wěn)定核區(qū)理論認(rèn)為，煤柱穩(wěn)定的關(guān)鍵是煤柱中心要有一定尺寸的穩(wěn)定核區(qū)，即比較完整、裂隙不太發(fā)育、強(qiáng)度比較大的核心區(qū)煤層，稱之為煤柱穩(wěn)定核區(qū)[8]。 煤體塑性區(qū)的寬度根據(jù)Kastner公式[9]見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：R1為煤柱塑性圈半徑，m；R0為巷道半徑，矩形巷道斷面對(duì)角線的一半，取2.7 m；σc為單向抗壓強(qiáng)度，取21.17 MPa；σ0為原巖應(yīng)力，取4.72 MPa；Pi為支護(hù)抗力，取0.2 MPa；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，取25.69°。將各個(gè)參數(shù)代入式(1)得R1=2.24 m，通常認(rèn)為上工作面運(yùn)巷和下工作面風(fēng)巷尺寸一樣，即R1左=R1右，所以煤柱塑性區(qū)總寬度R1煤柱=R1左+R1右=2R1，根據(jù)煤柱穩(wěn)定核區(qū)理論，可得煤柱寬度B=2R1煤柱=4R1=8.96 m。

2.2 極限平衡理論計(jì)算

在考慮巷道支護(hù)效果，綜合影響圍巖完整性和穩(wěn)定性主要因素的前提下，確定小煤柱合理寬度的計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

B=x1+x2+x3

(2)

式中：x1為煤柱塑性區(qū)寬度；x2為錨桿錨固深度，取2.4 m；x3為煤柱安全系數(shù)，一般取0.15～0.35(x1+x2)。計(jì)算煤柱塑性區(qū)寬度力學(xué)的模型如圖4所示。

圖4 煤柱塑性區(qū)寬度計(jì)算的力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model for calculating the width ofcoal pillar plastic zone

煤柱塑性區(qū)寬度x1根據(jù)極限平衡理論[10]見(jiàn)式(3)。

(3)

式中：m為煤柱高度，取11.78 m；λ為側(cè)壓系數(shù)；μ為泊松比，取0.1；φ0為煤層界面內(nèi)摩擦角，取30°；C0為煤層界面黏聚力，取0.3 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.5；γ為巖層平均容重，取2.3 t/m3；H為巷道埋深，取最大埋深200 m；Px為錨桿對(duì)煤柱的側(cè)向阻力，計(jì)為0.2 MPa；為煤礦安全考慮，x3取0.35(x1+x2)，代入各項(xiàng)參數(shù)，得出小煤柱合理寬度為11.96 m。

3 小煤柱合理寬度數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

本次數(shù)值模擬的模型主要是工作面-煤柱，根據(jù)煤層地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，共構(gòu)建了3個(gè)FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，此次數(shù)值模擬研究，以區(qū)段煤柱寬度分別為10 m、12 m、15 m時(shí)的煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，探究22401工作面區(qū)段煤柱的合理寬度。數(shù)值模擬方案見(jiàn)圖5，各個(gè)數(shù)值模擬方案中計(jì)算模型簡(jiǎn)介見(jiàn)表1，各巖層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

由于各個(gè)模型主要研究問(wèn)題類似，故三個(gè)方案中模型邊界條件統(tǒng)一，如圖5所示，煤柱左側(cè)為22401工作面，右側(cè)為22402工作面，整個(gè)模型在前、后、左、右及下部均為固定邊界，沒(méi)有水平位移，計(jì)算中模型上邊界施加5.13 MPa載荷，工作面上覆巖層平均容重取2.3 t/m3，在模型上部施加垂直應(yīng)力，應(yīng)力大小見(jiàn)式(4)。

P=(埋深-模型以上巖層高)×平均容重=

(245-39.85)×2.3×104≈4.72 MPa

(4)

結(jié)合韓家洼煤礦采掘計(jì)劃與礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律可知，回采巷道從掘進(jìn)到回采工作面回采完畢要經(jīng)歷巷道掘進(jìn)、一次采動(dòng)、采空區(qū)穩(wěn)定(采動(dòng)影響穩(wěn)定階段)、二次采動(dòng)等多次采動(dòng)影響[11]。在韓家洼煤礦中，回風(fēng)巷道主要是受到了上工作面和當(dāng)前工作面回采的影響，而當(dāng)前工作面在回采時(shí)，巷道的超前壓力較大，變形也較嚴(yán)重，這個(gè)階段就是被二次采動(dòng)影響階段。故在煤柱穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算中，各個(gè)數(shù)值模擬方案及過(guò)程應(yīng)當(dāng)為：首先開(kāi)采22401工作面，等工作面穩(wěn)定后(軟件運(yùn)行收斂)，再開(kāi)采22402工作面。為了計(jì)算更準(zhǔn)確、 更符合實(shí)際條件， 在煤柱內(nèi)部以及周圍位置附近對(duì)網(wǎng)格的劃分進(jìn)行了致密化處理。

圖5 數(shù)值模擬方案Fig.5 Numerical simulation program

表1 各數(shù)值模擬方案計(jì)算模型簡(jiǎn)介Table 1 Introduction to calculation models ofvarious numerical simulation schemes

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 一次采動(dòng)后數(shù)值模擬結(jié)果及分析

韓家洼煤礦22401工作面推進(jìn)完成后，不同煤柱寬度下的內(nèi)部應(yīng)力與塑性區(qū)分布特征見(jiàn)圖6～圖8。22401工作面的采動(dòng)對(duì)于區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性影響有限，根據(jù)圖6(a)～圖8(a)可知，當(dāng)煤柱寬度為10.0 m時(shí)，煤柱22401工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為5.5 m，煤柱22402工作面回風(fēng)順槽側(cè)塑性區(qū)寬度為1.5 m，煤柱內(nèi)部未見(jiàn)明顯塑性區(qū)分布，塑性區(qū)總面積占煤柱總面積的45%，此時(shí)煤柱穩(wěn)定性較好；當(dāng)煤柱寬度為12.0 m時(shí)，煤柱22401工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為6.0 m，煤柱22402工作面回風(fēng)順槽側(cè)塑性區(qū)寬度為1.0 m，煤柱內(nèi)部彈性核寬度為5.0 m，煤體完整區(qū)域占煤柱總面積的57%；當(dāng)煤柱寬度為15.0 m時(shí)，煤柱22401工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為6.0 m，煤柱22402工作面回風(fēng)順槽側(cè)塑性區(qū)寬度為1.0 m，煤柱內(nèi)部彈性核8.0 m，煤柱較為穩(wěn)定。由于22401工作面的最大埋深約為245 m，假設(shè)覆巖容重按2.3 t/m3計(jì)算，則工作面承受的上覆巖層載荷約為6.125 MPa。根據(jù)圖6(b)～圖8(b)可知，當(dāng)煤柱為10.0 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力最大值達(dá)到13.67 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域面較大；當(dāng)煤柱寬度增加到12.0 m時(shí)， 煤柱內(nèi)部的應(yīng)力最大值達(dá)到最大為13.61 MPa，此時(shí)應(yīng)力集中程度有所減小且應(yīng)力集中區(qū)域面縮減； 當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增加到15.0 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力最大值為13.59 MPa，應(yīng)力集中影響的區(qū)域面也進(jìn)一步減小。由此可見(jiàn)，煤柱受到掘進(jìn)擾動(dòng)以及一次采動(dòng)影響后，不同寬度的煤柱均穩(wěn)定，其中方案一煤柱穩(wěn)定性較方案二、方案三差。

表2 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters

圖6 一次采動(dòng)后煤柱寬度為10 m時(shí)內(nèi)部特征Fig.6 Internal characteristics when the coal pillar width is 10 m after primary mining

圖7 一次采動(dòng)后煤柱寬度為12 m時(shí)內(nèi)部特征Fig.7 Internal characteristics when the coal pillar width is 12 m after primary mining

圖8 一次采動(dòng)后煤柱寬度為15 m時(shí)內(nèi)部特征Fig.8 Internal characteristics when the coal pillar width is 15 m after primary mining

3.2.2 二次采動(dòng)后數(shù)值模擬結(jié)果及分析

韓家洼煤礦22402工作面推進(jìn)完成后，不同煤柱寬度下的內(nèi)部應(yīng)力與塑性區(qū)分布特征見(jiàn)圖9～圖11。22402工作面的采動(dòng)影響對(duì)于區(qū)段煤柱的穩(wěn)定性影響較大，根據(jù)圖9(a)～圖11(a)可知，當(dāng)煤柱寬度為10.0 m時(shí)，煤柱22401工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為6.5 m，煤柱22402工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為3.0 m，煤柱內(nèi)部?jī)蓚?cè)塑性區(qū)呈現(xiàn)貫通趨勢(shì)，整體呈現(xiàn)X型共軛破壞，內(nèi)部未見(jiàn)有效彈性核，說(shuō)明煤柱彈性核區(qū)的寬度小于煤柱總寬度的14%時(shí),將在輕微擾動(dòng)下出現(xiàn)突變失穩(wěn)；當(dāng)煤柱寬度為12.0 m時(shí)，煤柱22401工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為7.0 m，煤柱22402工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為2.5 m，煤柱內(nèi)部彈性核寬度為2.5 m，彈性核寬度占煤柱總寬度的20.8%，大于14%的臨界寬度，由此可見(jiàn)，此時(shí)煤柱穩(wěn)定性較強(qiáng)，在巷道進(jìn)行有效支護(hù)前提下，能夠進(jìn)一步提高彈性核的寬度，同時(shí)維護(hù)22402工作面回風(fēng)順槽巷道圍巖穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度為15.0 m時(shí)，煤柱22401工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為7.5 m，煤柱22402工作面采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度為3.5 m，煤柱內(nèi)部彈性核寬度為4.0 m，彈性核寬度占煤柱總寬度的26.7%，由此可見(jiàn)，此時(shí)煤柱更為穩(wěn)定。根據(jù)圖9(b)～圖11(b)可知，當(dāng)煤柱為10.0 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力最大值達(dá)到14.91 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域面較大；當(dāng)煤柱寬度增加到12.0m時(shí)，煤柱內(nèi)部的應(yīng)力最大值達(dá)到最大為13.82 MPa，此時(shí)應(yīng)力集中程度有所減小，較方案一最大應(yīng)力減小7.89%，且應(yīng)力集中區(qū)域面明顯縮減；當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增加到15.0 m時(shí)，煤柱內(nèi)部應(yīng)力最大值為13.64 MPa，應(yīng)力集中影響的區(qū)域面也進(jìn)一步減小。

綜合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)煤柱寬度為12.0 m時(shí)，煤柱相對(duì)穩(wěn)定，能夠起到相應(yīng)的支承作用。 此時(shí)，區(qū)段煤柱在整個(gè)回采的過(guò)程中能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，煤柱逐漸破壞，能量緩慢釋放，不會(huì)發(fā)生突變的失穩(wěn)。

圖9 二次采動(dòng)后煤柱寬度為10 m時(shí)內(nèi)部特征Fig.9 Internal characteristics when the coal pillar width is 10 m after secondary mining

圖10 二次采動(dòng)后煤柱寬度為12 m時(shí)內(nèi)部特征Fig.10 Internal characteristics when the coal pillar width is 12 m after secondary mining

圖11 二次采動(dòng)后煤柱寬度為15 m時(shí)內(nèi)部特征Fig.11 Internal characteristics when the coal pillar width is 15 m after secondary mining

4 順槽支護(hù)方案設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)了十余年的研究與試驗(yàn)，回采巷道支護(hù)技術(shù)已經(jīng)形成了一套具有中國(guó)特色的煤巷錨桿支護(hù)成套技術(shù)體系[12]。在綜放工作面厚頂煤回采巷道條件下，錨桿支護(hù)出現(xiàn)了一系列新的問(wèn)題，由于礦壓顯現(xiàn)劇烈、應(yīng)力集中系數(shù)大、煤體強(qiáng)度低、煤幫塑性區(qū)范圍大，巷道變形嚴(yán)重，錨桿、錨索隨煤體整體移出、失效，鋼帶強(qiáng)度和剛度小，容易撕裂和拉斷，護(hù)頂效果差。上述現(xiàn)象嚴(yán)重影響了巷道支護(hù)效果和安全程度。

根據(jù)特厚煤層巷道支護(hù)已有研究，戴磊等[13]通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)優(yōu)化窄煤柱錨桿預(yù)緊力、錨桿長(zhǎng)度、錨桿直徑、錨桿間排距等支護(hù)參數(shù)，從而確定了更合適的錨桿支護(hù)方案，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了顯著的可觀效果。孫浩等[14]結(jié)合懸吊梁理論確定支護(hù)參數(shù)，采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+W鋼帶+錨索”組合鋼梁聯(lián)合支護(hù)方案，對(duì)錨桿起到主動(dòng)支護(hù)作用，控制了圍巖的穩(wěn)定性。許永祥[15]基于工作面地質(zhì)條件，采用“錨桿+錨索+W鋼帶+錨索組合鋼梁+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，有效減小了煤柱側(cè)煤壁變形。

為滿足韓家洼煤礦的生產(chǎn)需要，增強(qiáng)其生產(chǎn)安全性，同時(shí)通過(guò)改善巷道支護(hù)參數(shù)達(dá)到穩(wěn)定可靠的支護(hù)效果，進(jìn)一步增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度和綜合支護(hù)能力，優(yōu)化巷道支護(hù)技術(shù)的主要原則如下所述。

1) 由于該礦處于高應(yīng)力環(huán)境下，圍巖自身的強(qiáng)度較小，同時(shí)，巷道附近圍巖呈層狀、非均勻各向異性，巖層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布均呈非對(duì)稱性，傳統(tǒng)的對(duì)稱支護(hù)方式無(wú)法有效地控制巷道的變形，建議采用非對(duì)稱支護(hù)，從而形成巷道圍巖在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力均勻化。

2) 在支護(hù)方案中運(yùn)用錨桿索支護(hù)原理，這不僅可以積極主動(dòng)地保持圍巖的整體性和穩(wěn)定性，還可以有效地控制圍巖的變形、位移和裂隙發(fā)展，最大力度地發(fā)揮圍巖的自承作用，把圍巖由一個(gè)荷載變成一個(gè)支承載體，變被動(dòng)支護(hù)為主動(dòng)支護(hù)，同時(shí)使錨桿、錨索和圍巖可以緊密地結(jié)合成一個(gè)整體，共同承載圍巖應(yīng)力，尤其是錨索具有很大的承載能力與加固范圍，能最大限度地保持巖體的完整性。

3) 加強(qiáng)巷道兩幫支護(hù)，運(yùn)用“強(qiáng)幫強(qiáng)角”支護(hù)原理，指導(dǎo)巷道兩幫錨桿參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，增強(qiáng)巷道對(duì)頂板的支承作用，減小兩幫極限平衡區(qū)與頂板廣義跨度；通過(guò)優(yōu)化頂板錨桿、錨索的布置形式與參數(shù)，同時(shí)運(yùn)用幫錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，從而達(dá)到錨桿、錨索協(xié)同支護(hù)的作用。

韓家洼煤礦22401工作面回風(fēng)順槽采用矩形斷面，回風(fēng)順槽斷面尺寸為4 300 mm×3 200 mm，毛斷面積S=13.76 m2。工作面回風(fēng)順槽沿煤層底板布置，屬全煤巷道?；仫L(fēng)順槽頂板為細(xì)砂巖及砂礫巖，無(wú)其他特殊地質(zhì)與生產(chǎn)條件，如斷層、破碎帶、相鄰工作面采空區(qū)、上覆煤柱等影響。因此，建議采用非對(duì)稱“錨桿+鋼帶+鋼筋網(wǎng)+錨索”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案。 確定頂板支護(hù)每排采用Φ18 mm×2 200 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿6根，間排距800 mm×800 mm，其中最外側(cè)兩根錨桿距幫150 mm，網(wǎng)片采用8#菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)格50 mm×50 mm，采用W鋼帶，托盤為150 mm×150 mm×10 mm方形鋼板。錨索加強(qiáng)支護(hù)采用Φ17.8 mm×11 700 mm高預(yù)應(yīng)力錨索2根，Φ17.8 mm×6 000 mm高預(yù)應(yīng)力錨索1根，間排距2 500 mm×800 mm，布置方式為“二·一”布置，配套300 mm×300 mm×12 mm鋼托板。工作面?zhèn)葞兔颗挪捎忙?0 mm×2 000 mm玻璃鋼錨桿4根，間排距1 000 mm×800 mm，其中起頂距100 mm，起底距100 mm，采用尼龍網(wǎng)，網(wǎng)格50 mm×50 mm，并配套相應(yīng)托板。非工作側(cè)幫每排采用Φ18 mm×2 200 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿6根，間排距600 mm×800 mm，其中起頂距100 mm，起底距100 mm，采用Φ17.8 mm×8 000 mm幫錨索1根，排距800 mm，起底矩1 600 mm，網(wǎng)片采用8#菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)格50 mm×50 mm，采用150 mm×150 mm×10 mm鋼托板。主要錨固材料與參數(shù)見(jiàn)表3，巷道支護(hù)圖如圖12所示。

表3 主要錨固材料與參數(shù)Table 3 Main anchoring materials and parameters

圖12 巷道支護(hù)圖Fig.12 Roadway support map

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)穩(wěn)定核區(qū)理論計(jì)算可以得知，區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度為8.96 m；通過(guò)極限平衡理論計(jì)算可以得知，區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度為11.96 m。

2) 建立數(shù)值模擬計(jì)算模型，對(duì)不同煤柱寬度下的內(nèi)部應(yīng)力與塑性區(qū)分布特征進(jìn)行了分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明，隨著區(qū)段煤柱寬度的不斷增加，應(yīng)力集中程度也隨之不斷減小。當(dāng)煤柱寬度為10 m時(shí)，煤柱將在輕微擾動(dòng)下出現(xiàn)突變失穩(wěn)；當(dāng)煤柱寬度為12 m時(shí)，此時(shí)煤柱穩(wěn)定性較強(qiáng)，在巷道進(jìn)行有效支護(hù)前提下，能夠進(jìn)一步提高彈性核的寬度，同時(shí)維護(hù)工作面回風(fēng)順槽巷道圍巖穩(wěn)定；當(dāng)煤柱寬度為15 m時(shí)，煤柱更為穩(wěn)定。結(jié)合理論計(jì)算分析，最終確定區(qū)段煤柱合理留設(shè)寬度為12 m。

3) 針對(duì)22號(hào)煤層的地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件，通過(guò)工程類比的方法，給出了非對(duì)稱“錨桿+鋼帶+鋼筋網(wǎng)+錨索”的聯(lián)合支護(hù)方案，有效提高巷道圍巖穩(wěn)定性。