傾斜煤層煤柱合理留設(shè)寬度及支護(hù)研究

褚永紅

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041204）

引言

煤炭資源是我國(guó)主要的能源形式，隨著開(kāi)采年限的不斷增加，緩傾斜煤層儲(chǔ)量大幅度降低，目前我國(guó)開(kāi)采的重點(diǎn)逐步向著傾斜煤層轉(zhuǎn)移。在進(jìn)行傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程中，由于煤層傾角較大，造成巷道圍巖應(yīng)力分布較為復(fù)雜，圍巖的破壞程度較大，所以安全高效開(kāi)采大傾角煤層十分重要?，F(xiàn)階段為了保證巷道穩(wěn)定性，通常增設(shè)護(hù)巷煤柱，以此保證巷道穩(wěn)定性，但隨著開(kāi)采深度的不斷加大，煤柱的寬度逐步增加，嚴(yán)重降低了礦井采出率，所以煤柱合理留設(shè)寬度也是傾斜煤層安全開(kāi)采的重要前提。本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)傾斜煤層合理留設(shè)寬度進(jìn)行研究，為礦井安全高效開(kāi)采提供一定的參考及借鑒。

1 某礦3103 工作面介紹及模型建立

某礦二采區(qū)5 號(hào)煤層高度在+2183～+2222 m（高差39 m）之間，礦區(qū)高山溝壑，沒(méi)有建筑物。5 號(hào)煤層從東到西分布長(zhǎng)而狹窄，西部、南部地勢(shì)較高，東部、北部地勢(shì)相對(duì)較低。3103 工作面位于二礦區(qū)5煤層中，上覆煤層4 號(hào)已經(jīng)開(kāi)采完畢，下覆煤層6 號(hào)仍處于開(kāi)采中。5 號(hào)煤層位于3103 工作面的上部是3102 工作面的采空區(qū)，煤層厚度為6 m，煤層傾角為44°，煤層的平均埋深為200 m。在實(shí)際開(kāi)采中，使用綜采機(jī)一次采全高技術(shù)，工作面傾斜和走向長(zhǎng)度分別為100 m、1000 m。

對(duì)大傾角煤層煤柱留設(shè)合理寬度進(jìn)行數(shù)值模擬研究，大傾角巷道的斷面形式一般有梯形、拱形、矩形、多邊形等，考慮到實(shí)際的地質(zhì)情況后對(duì)不同斷面形式下的巷道穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分別對(duì)沿頂煤矩形斷面、沿頂煤弧形斷面、沿頂煤多邊形斷面、煤層中位矩形斷面和沿底板矩形形斷面進(jìn)行模擬研究，首先進(jìn)行模擬模型的建立，模型的長(zhǎng)寬高分別為170 m×60 m×172 m，對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在模型網(wǎng)格劃分時(shí)，需要考慮模擬計(jì)算時(shí)間及云圖精確性，所以本文對(duì)巷道近端進(jìn)行細(xì)化分，在模型的遠(yuǎn)端進(jìn)行粗劃分，在保證精度的前提下確保電腦計(jì)算運(yùn)行時(shí)間最短。完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的邊界進(jìn)行約束設(shè)置，在模型的下、左右、前后分別設(shè)定固定約束，避免模型整體出現(xiàn)位移，在模型的頂端施加覆巖自重，經(jīng)過(guò)計(jì)算施加自重4 MPa，模型采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。完成模型設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算[1-2]。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

分別對(duì)大傾角巷道的五種斷面形式進(jìn)行模擬分析，由于版面問(wèn)題，本文僅展示沿頂煤矩形斷面模擬云圖如圖1 所示。

從圖1 可以看出，沿頂煤掘進(jìn)弧形巷道整體應(yīng)力分布較為均勻，頂板的垂直應(yīng)力分布較為連續(xù)，在模型的弱面位置應(yīng)力隔離較為明顯，在沿著頂煤掘進(jìn)過(guò)程中，頂板受到采掘影響較小，側(cè)向支撐壓力影響區(qū)域較大，巷道的應(yīng)力集中系數(shù)2.2，整體應(yīng)力較為可控，沿頂煤掘進(jìn)矩形巷道較為合理。觀察沿頂煤掘進(jìn)弧形巷道圍巖變形云圖，整體圍巖變形從小到大分別為煤柱煤幫位移量、實(shí)體煤幫位移量、底鼓量、頂板下沉量，整體應(yīng)變分布較為均勻，復(fù)合頂板下沉量為271 mm，底鼓量變形量為390 mm，實(shí)體煤幫位移為275 mm，煤柱幫位移量為178 mm，整體屬于五種矩形斷面布置下位移量綜合最為合理的情況，所以本文選定沿頂煤弧形斷面巷道布置形式。

確定了巷道的斷面形式后，對(duì)巷道的合理留設(shè)寬度進(jìn)行分析，影響巷道煤柱留設(shè)寬度的主要因素有煤層傾角、巷道埋深等，對(duì)不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布曲線如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布曲線

從圖2 中可以看出，不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，均為先增大后減小，在煤柱左幫位置的垂直應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)大于右?guī)停煌褐鶎挾认旅褐膽?yīng)力峰值出現(xiàn)的位置均在煤柱的中間部位。隨著煤柱寬度的增大，巷道煤柱的垂直應(yīng)力值呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，此時(shí)煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力峰值在距離采空區(qū)1.8 m 的位置出現(xiàn)最大值，最大值為3.9 MPa。當(dāng)煤柱寬度增大至8 m 時(shí)，此時(shí)的巷道垂直應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置在距離采空區(qū)3 m 的位置，垂直應(yīng)力最大值為13.8 MPa。對(duì)比可以看出，當(dāng)煤柱寬度小于4 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值明顯小于原巖應(yīng)力值，此時(shí)的煤柱承載能力較低，當(dāng)煤柱寬度增大至5 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱內(nèi)部穩(wěn)定區(qū)距離煤幫較遠(yuǎn)，對(duì)于錨桿的錨固較為困難，當(dāng)煤柱寬度大于6 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱內(nèi)部應(yīng)力峰值明顯大于巷道的原巖應(yīng)力，此時(shí)穩(wěn)定區(qū)域逐步向著巷道煤幫位置轉(zhuǎn)移，此時(shí)對(duì)巷道錨桿支護(hù)較為有利，可以看出，合理的煤柱留設(shè)寬度應(yīng)當(dāng)大于6 m。

對(duì)不同煤柱寬度下巷道的水平應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，選定煤柱寬度為3～8 m，在煤柱內(nèi)部布設(shè)一條位移監(jiān)測(cè)線，不同煤柱寬度下煤柱位移分布曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，不同煤柱寬度下煤柱水平位移曲線呈現(xiàn)出非對(duì)稱的情況，當(dāng)煤柱寬度為3 m 時(shí)，此時(shí)煤柱左幫位移量為-150 mm，煤柱右?guī)臀灰屏繛?0 mm，所以煤柱兩幫變形量為240 mm；當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱左幫位移量為-75 mm，煤柱右?guī)臀灰屏繛?0 mm，所以煤柱兩幫變形量為110 mm；而當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱左幫位移量為-60 mm，煤柱右?guī)臀灰屏繛?0 mm，所以煤柱兩幫變形量為80 mm?？梢钥闯?，隨著煤柱寬度的增大，煤柱左右端的位移量呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢(shì)，但降低的趨勢(shì)逐步減小，在煤柱寬度小于6 m 時(shí)，此時(shí)煤柱左右端位移量下降趨勢(shì)較大，而當(dāng)煤柱寬度大于6 m 時(shí)，此時(shí)的煤柱兩端位移量下降趨勢(shì)逐步降低。同時(shí)通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)煤柱左幫變形量明顯大于右?guī)妥冃瘟?，這是由于煤柱左幫應(yīng)力較大，在考慮煤柱變形及經(jīng)濟(jì)效益后，確定合理的煤柱寬度為6 m。

圖3 不同煤柱寬度下煤柱位移分布

在煤柱留設(shè)寬度6 m 下的支護(hù)方案，頂板支護(hù)：桿體為直徑22 mm 螺紋鋼錨桿，屈服強(qiáng)度不低于400 MPa，長(zhǎng)度2400 mm，桿尾螺紋為M24。采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用2 支CK2340 樹(shù)脂錨固劑，鉆頭直徑30 mm，鉆孔直徑為31 mm，錨固長(zhǎng)度887 mm。同時(shí)采用高強(qiáng)錨桿螺母M24，托板采用方形帶拱托板，托板尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，托板高度不低于36 mm，鋼號(hào)不低于Q235，配套調(diào)心球墊和減摩墊圈。錨桿間距900 mm，每排6 根錨桿，排距1000 mm；錨桿預(yù)緊扭矩不低于300 N·m，設(shè)計(jì)錨固力不低于150 kN。

兩幫支護(hù)桿體為直徑20 mm，玻璃鋼錨桿長(zhǎng)度2200 mm，抗拉強(qiáng)度大于等于300 MPa。錨桿間排距為1000 mm、1000 mm，距頂300 mm，巷幫角錨桿與巷道頂板成75°夾角，其他垂直巷道壁，每排4 根。錨固方式：樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，鉆頭直徑30 mm，采用一支規(guī)格為CK2360 樹(shù)脂錨固劑。錨桿錨固力不小于70 kN，預(yù)緊扭矩不得小于40 N·m[3-4]。

煤柱幫：錨桿桿體為直徑22 mm 左旋螺紋鋼錨桿，屈服強(qiáng)度不低于400 MPa，長(zhǎng)度2400 mm。錨桿間排距為1000 mm、1000 mm，每排4 根，距頂300 mm，與巷道頂板成65°夾角，其余均與煤壁垂直。具體支護(hù)斷面如下頁(yè)圖4 所示。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖（單位：mm）

3 結(jié)論

1）分別對(duì)沿頂煤矩形斷面、沿頂煤弧形斷面、沿頂煤多邊形斷面、煤層中位矩形斷面和沿底板矩形形斷面進(jìn)行模擬研究，確定最佳斷面形式為沿頂煤弧形斷面。

2）不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部垂直應(yīng)力分布呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，均為先增大后減小，在煤柱左幫位置的垂直應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)大于右?guī)?，最佳煤柱寬度? m。

3）隨著煤柱寬度的增大煤柱左右端的位移量呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢(shì)，且煤柱左幫變形量明顯大于右?guī)妥冃瘟俊?/p>