上社礦9304回風(fēng)順槽煤柱留設(shè)與支護(hù)探討

荊星剛

（陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司，山西 盂縣 045100）

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)上社煤礦9304 回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面位于9#煤采區(qū)西翼，東部與9#煤輔助回風(fēng)巷、9#煤皮帶巷、9#煤軌道巷、9#煤回風(fēng)巷相鄰；西部為礦井邊界，與二景煤礦相鄰；南部與9302 工作面（未成面）相鄰；北部與9304 準(zhǔn)備工作面實(shí)體煤。9304 回風(fēng)順槽布置平面如圖1 所示。9#煤層厚度2.8～3.8 m，平均3.3 m；煤層傾角1°～8°，平均5°，煤層內(nèi)生節(jié)理裂隙發(fā)育。 9#煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖、8 m 煤、K7砂巖，厚度分別約2.5 m，0.9 m，1.1 m，約2～3 層；基本頂為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚度平均7.3 m；直接底板為砂質(zhì)泥巖，平均厚度約1.8 m，灰黑色，富含植物化石及黃鐵礦結(jié)核。

圖1 9304 回風(fēng)順槽布置平面

9304 回風(fēng)順槽沿9#煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，掘?qū)挕辆蚋?4 700 mm×3 100 mm，巷道為動壓巷道。9304 回風(fēng)順槽主要為9304 工作面提供行人、回風(fēng)等服務(wù)，在全服務(wù)周期內(nèi)將受到本巷道掘進(jìn)動壓影響、相鄰巷道掘進(jìn)動壓影響、相鄰工作面回采超前影響、相鄰工作面回采動壓影響、本工作面回采超前影響等。 巷道動壓影響與地質(zhì)條件、煤柱尺寸等因素有關(guān)，現(xiàn)為保障巷道圍巖穩(wěn)定，對合理留設(shè)護(hù)巷煤柱寬度以及巷道支護(hù)方案進(jìn)行分析探討。

2 模擬分析

在進(jìn)行護(hù)巷煤柱寬度分析時，若僅采用理論分析的方式，由于煤柱計(jì)算公式中涉及參數(shù)較多，而工程現(xiàn)場實(shí)際掌握地質(zhì)參數(shù)有限，進(jìn)而導(dǎo)致理論分析計(jì)算得出的煤柱寬度的準(zhǔn)確度存在一定偏差[1-4]。 為設(shè)計(jì)9304 回風(fēng)順槽合理護(hù)巷煤柱寬度，現(xiàn)采用有限差分FLAC3D軟件進(jìn)行模型分析。 根據(jù)地質(zhì)條件設(shè)置煤層及頂?shù)装甯鲙r層的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)，建立模型長×寬×高=100 m×50 m×70 m，模型劃分為163 436 節(jié)單元，三維模型的邊界條件取為：上部為自由邊界，四周和底部采用鉸支[5]。 模型初始平衡計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

基于眾多護(hù)巷煤柱研究理論及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合9304 回風(fēng)順槽地質(zhì)特征，本次設(shè)計(jì)對比分析煤柱寬度為8 m、12 m、20 m 和25 m 時圍巖垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和塑性區(qū)發(fā)育特征，具體分析過程如下：

（1）垂直應(yīng)力

分析圖3 可知，動壓巷道相鄰工作面回采，會在巷道和回采面之間的煤柱上產(chǎn)生應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中大小與煤柱尺寸有關(guān)。 在煤柱尺寸為12 m和20 m 時，此時煤柱的最大集中應(yīng)力基本相同，應(yīng)力最大值均為12.9 MPa；當(dāng)煤柱尺寸增大為25 m 時，煤柱最大集中應(yīng)力為12.6 MPa，集中程度有所減小，但減小幅度不大，說明當(dāng)煤柱尺寸超過20 m 后，回采面對煤柱的動壓影響不明顯；當(dāng)煤柱尺寸為8 m 時，煤柱最大集中應(yīng)力為13.9 MPa，集中應(yīng)力顯著增大，說明當(dāng)煤柱尺寸小于12 m時，回采面對煤柱的動壓影響明顯。

圖3 不同尺寸煤柱垂直應(yīng)力分布

（2）水平應(yīng)力

分析圖4 可知，隨著臨近工作面的回采，動壓巷道頂?shù)装寰鶗a(chǎn)生一個水平應(yīng)力的增高區(qū)，這個應(yīng)力增高大小與煤柱尺寸有關(guān)，煤柱尺寸越大，水平最大應(yīng)力越??；煤柱尺寸越小，水平最大應(yīng)力越大。

圖4 不同尺寸煤柱水平應(yīng)力分布

（3）塑性破壞區(qū)

分析圖5 可知，在采空區(qū)附近開掘巷道，會在巷道圍巖和采空區(qū)側(cè)煤柱產(chǎn)生應(yīng)力集中。 工作面回采后，采場邊緣煤壁附近煤巖體出現(xiàn)塑性破壞，煤柱寬度為8 m 時，整個煤柱全部破壞；煤柱寬度為12 m 時，煤柱中部出現(xiàn)少量彈性核區(qū)，但煤柱破壞區(qū)域沒有貫通；煤柱寬度為20 m 時，煤柱中間出現(xiàn)一定寬度的彈性區(qū)，此時煤柱中彈性核區(qū)偏大；當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增大為25 m 時，護(hù)巷煤柱中部彈性核區(qū)的寬度進(jìn)一步增大，此時煤柱中彈性核區(qū)的寬度過大。 由此可見，當(dāng)煤柱寬度小于12 m 時，煤柱會因應(yīng)力集中而破碎，容易產(chǎn)生失穩(wěn)崩塌或破碎漏風(fēng)，尤其對于瓦斯礦井，影響更大。

圖5 不同煤柱尺寸塑性區(qū)發(fā)育特征

綜合上述分析，結(jié)合9304 回風(fēng)順槽地質(zhì)特征，考慮到為保障護(hù)巷煤柱本身的穩(wěn)定，煤柱合理寬度內(nèi)應(yīng)留存有一定的彈性核區(qū)，彈性核區(qū)的存在能夠保障煤柱自身具有一定的承載能力；另外結(jié)合不同煤柱下圍巖水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的分析結(jié)果，最終確定護(hù)巷煤柱的寬度為12 m。

3 巷道支護(hù)方案

根據(jù)9304 回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，結(jié)合護(hù)巷煤柱數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案如下：

1）頂板支護(hù)。 錨桿采用φ22 mm×2 400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，巷道每斷面頂板布置6 根錨桿；錨桿采用樹脂藥卷加長錨固，錨固長度為1 100 mm；錨桿均垂直與頂板布置，預(yù)緊扭矩為300 N·m。頂板錨桿間采用W 型鋼帶進(jìn)行連接，鋼帶規(guī)格為長×寬×厚=4 300 mm×280 mm×4 mm。

錨索采用17 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，規(guī)格參數(shù)為φ17.8 mm×5 200 mm；錨索垂直頂板布置，采用“二二”布置，間排距1 600 mm×1 000 mm，每個斷面布置2 根錨索；錨索采用樹脂加長錨固，錨固長度為1 360 mm。 頂板表面采用10#鐵絲編制的菱形網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，網(wǎng)片規(guī)格為5 200 mm×1 100 mm。

2）巷幫支護(hù)。 錨桿規(guī)格參數(shù)同頂板，間排距為800 mm×1 000 mm，錨桿錨固方式及預(yù)緊力矩參數(shù)均同頂板，巷幫每排4 根錨桿。 巷幫錨桿同樣采用W 型鋼帶連接，鋼帶參數(shù)同頂板。 巷幫表面同樣采用菱形網(wǎng)進(jìn)行護(hù)表，菱形網(wǎng)網(wǎng)片規(guī)格3 300 mm×1 100 mm，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，網(wǎng)片之間搭接100 mm。

9304 回風(fēng)順槽巷道具體錨桿錨索支護(hù)布置如圖6 所示。

圖6 9304 回風(fēng)順槽支護(hù)布置

4 效果分析

9304 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，通過在掘進(jìn)迎頭布置圍巖觀測點(diǎn)進(jìn)行圍巖變形情況礦壓監(jiān)測，圍巖變形監(jiān)測主要包括頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平縖6-7]。 根據(jù)圍巖變形監(jiān)測結(jié)果得出巷道掘進(jìn)期間圍巖變形曲線如圖7 所示。

圖7 巷道掘進(jìn)期間表面位移監(jiān)測曲線

分析圖7 可知，9304 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，巷道位移在巷道掘進(jìn)期間逐漸升高，大約在工作面后方40～50 m 趨于平緩，巷道變形趨于穩(wěn)定。 巷道變形以兩幫變形為主，頂?shù)装遄冃屋^小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)橄锏纼蓭蜑閷?shí)體煤，且9#煤內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，進(jìn)而出現(xiàn)兩幫移近量大于頂?shù)装逑鲁亮康那闆r。

綜合上述分析可知，巷道在錨網(wǎng)索支護(hù)方案下，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

根據(jù)9304 回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬的方法對護(hù)巷煤柱的合理寬度進(jìn)行了分析。 通過分析不同煤柱寬度下圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)發(fā)育特征，確定煤柱寬度為12 m。 結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和巷道賦存特征，決定采用巷道錨網(wǎng)索支護(hù)方案，根據(jù)支護(hù)方案實(shí)施后圍巖變形礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，巷道在12 m 煤柱和現(xiàn)有支護(hù)下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。