综放面合理护巷煤柱宽度确定与回采巷道支护方案设计

朱志洁，张宏伟，陈 蓥，张海峰，陈雄山

(1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000;2.内蒙古伊泰煤炭股份有限公司阳湾沟煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010400)

0引言

相邻两工作面同时回采时，两工作面侧向支承压力和超前支承压力必然形成叠加，从而支承压力的分布范围和峰值增大，此时护巷煤柱的稳定性决定临近回采巷道的稳定性［1］。本文以阳湾沟煤矿为实例，通过理论计算和数值模拟，分析了不同宽度煤柱的稳定性，确定合理的煤柱尺寸［2-11］。同时，由于该矿部分回采巷道上方存在历史遗留下来的房采采空区，巷道顶板完整性较差，给巷道维护带来很大困难。针对不同顶板条件下回采巷道，设计不同的支护方案，通过数值模拟等手段，研究不同支护条件下巷道顶板的受力状态，对其合理性进行验证。

1 地质概况

阳湾沟煤矿6203工作面位于井田的西南，开采煤层为6号煤层。6203工作面布置在原6201、6202采空区的下方，推进总长度为345m，其中采空区下推进长度213m，非采空区下推进长度为132m。6203工作面运输顺槽长578 m，切眼长度约150m，均采用锚网、锚索联合支护，已施工完毕。6203工作面回风顺槽正待掘进。

2 合理煤柱尺寸的确定

2.1 理论计算确定煤柱宽度

煤柱极限平衡区的宽度［12］为:

式中:x——煤柱极限平衡区的宽度;

m——煤柱高度;

H——平均采深;

φ0——煤层的内摩擦角;

γ——岩层的平均容重;

A——测压系数;

ρ——采区采出率;

D——损伤因子。

图1 工作面布置平面图Fig.1 Layout of coal face

为了保证煤柱在工作面回采过程保持稳定，煤柱内要存在一定的核区率，回采过程煤柱两侧同时存在极限平衡区，因此有:

式中:μ——煤柱核区率;

B——煤柱设计宽度。

因此可得到:

根据阳湾沟矿提供的地质资料以及前期开展的地质力学测试成果，可知煤柱高度3m，平均采深180m，煤层的内摩擦角30°，煤层的内聚力0.8MPa，岩层平均容重2.5kN/m3，侧压系数1.3，煤炭采出率0.76，损伤因子2.5，煤柱核区率0.7。把上述参数代入公式(3)，得到护巷煤柱尺寸:B＞22.5。考虑到计算公式中某些参数选择只是凭借工程类比或者经验给出，选择煤柱尺寸要略大于计算得出的值，因而根据理论计算护巷煤柱宽度取25m。

2.1 数值模拟确定煤柱宽度

根据6203工作面及其邻近工作面的基本情况，利用FLAC3D数值模拟软件分别模拟10m、20m、30m与40m煤柱一侧采空时，煤柱的塑性区分布及垂直力分布情况，根据模拟结果确定煤柱的合理宽度。图2为数值计算力学模型，表1为数值计算各岩层的物理力学参数。结合邻近矿井地应力测量结果，计算模型边界载荷条件如下:模型X轴方向施加3.5～1.3MPa的梯度应力;模型Y轴方向施加6.4～2.3MPa的梯度应力;模型Z轴方向施加5.0～1.8MPa的梯度应力，模型上部施加1.8MPa的等效载荷，Z轴方向设定自重载荷(图2)。

图2 数值计算力学模型Fig.2 Computational mechanics model1-砂岩;2-泥岩;3-煤层

表1 煤岩力学参数Table 1 Coal rock mechanical parameters

图3为一侧采空时不同宽度煤柱弹塑性区分布情况(仅截取煤柱部分)，由图得出如下结论:

图3 不同煤柱宽度围岩弹塑性区分布Fig.3 Elastic-plastic area deformation in different coal pillars

宽度较小的煤柱(10m)，采空区侧与巷道侧的塑性区贯通，分布于整个煤柱，煤柱内没有弹性核区存在，整个煤柱受到破坏，煤柱处于失稳状态;随着煤柱宽度增加，煤柱内塑性区范围减小。20m煤柱时，采空区侧的塑性区宽度为9m，巷道侧为3m。煤柱中开始出现了弹性核区，宽度为8m，煤柱内存在没有受到破坏的区域，煤柱能够保持稳定;煤柱宽度继续增大后(30m、40m)，煤柱内塑性区的范围基本不变，弹性区渐渐增大。模拟表明煤柱的宽度存在临界值，超过临界值后虽然煤柱更加稳定，有利于巷道的维护，但增加了煤炭资源的损失。

图4、图5为一侧采空时不同宽度煤柱的垂直应力分布情况，由图可知:当煤柱宽度较小(10m)时，由采空区及巷道在围岩中形成的应力集中区域相互叠加，煤柱整体承受较大的应力作用，不利于煤柱的稳定;随着煤柱宽度增加(20m、30m、40m)，在煤柱中存在由采空区及巷道各自形成的应力集中区，但应力峰值在不断减小。当煤柱宽度为10m、20m时，煤柱中应力曲线为单峰曲线，应力峰值分别为10.4MPa、12MPa;随着煤柱宽度继续增加，应力曲线转变为双峰曲线，30m和40m煤柱右侧应力峰值分别为9.1MPa和8.2MPa，应力变化平缓;煤柱上的整体应力水平在下降，煤柱受力更加均匀。

图4 不同宽度煤柱围岩垂直应力分布Fig.4 Vertical stress deformation in different coal pillars

图5 煤柱应力分布曲线Fig.5 Vertical stress distribution curve in different coal pillars

从煤柱塑性区情况来看，随着煤柱宽度的增加，煤柱中弹性核区的宽度不断增加，煤柱趋于稳定;从应力分布情况来看，随着煤柱宽度的增加，煤柱应力集中程度降低，煤柱应力曲线由单峰分布转变为双峰分布，煤柱受力更加均匀。考虑回采安全，兼顾煤炭资源回采率，确定煤柱的合理宽度为25～30m。

通过理论计算和数值模拟确定了煤柱尺寸，二者计算结果相互吻合。最终确定合理的煤柱尺寸不小于25m。

3 回采巷道支护方案设计

通过前文分析，确定合理煤柱尺寸不小于25m，在这样的巷道围岩应力和塑性区的条件下，对巷道进行支护方案设计。由于6203工作面部分处在采空区下方，顶板围岩状态受上部采空区影响明显。因此回采巷道需根据不同的顶板条件制定不同的支护方案。

3.1 回采巷道支护方案确定

6203工作面回风顺槽布置在原6201、6202采空区的下方，巷顶距采空区底板间距为3～5m，上部采空区开采引起的底煤破坏使6203回风顺槽在掘进与回采期间围岩都不易维护，对于破碎严重的局部区域，掘进时可能会出现冒顶，针对此情况，要对巷道进行补强支护并且要对巷道上方破碎的煤体进行加固［13-14］。根据6203回风顺槽不同区域的地质条件，确定其支护方案分为两种情况，第一种情况为巷道上方为实体煤;第二种情况为巷道上方存在采空区。

支护参数见表2和图6。

表2 支护方案参数Table 2 Parameters of supporting schemes

图6 方案支护断面图Fig.6 Support sectional drawing of supporting schemes

3.2 回采巷道支护效果数值模拟分析

通过数值模拟对两种支护方案进行验证，采用cable单元模拟锚杆，beam单元模拟工字钢棚，shell单元模拟金属网喷浆。各个结构单元参数见表3～表5。

表3 cable单元的计算参数Table 3 Parameters of cable

表4 beam单元的计算参数Table 4 Parameters of beam

表5 shell单元的计算参数Table 5 Parameters of shell

图7和图8为第一种情况(巷道上方为实体煤)巷道周围和顶板的垂直应力剖面图。由图7可知，锚杆形成的应力区相互叠加，形成有效压应力区，并连成一体，形成整体支护结构。在顶板和两帮形成厚度较大、分布比较均匀的压应力区，两帮压应力区应力值为3.5～5MPa，顶板压应力区应力值为1.5～2MPa，形成的压应力区覆盖了锚固区的大多数面积，锚杆预应力扩散与叠加效果明显。

由图8可知，巷道顶板0.3m处，在锚杆处有效压应力区呈圆形梯度分布，应力值2～4.5MPa，彼此相互连接，形成连续的有效压应力带，预应力扩散范围大;在梯形棚子处，形成应力均匀带状低应力区域，其应力值为0.15～0.5MPa。

图7 巷道垂直应力剖面图(第一种情况)Fig.7 Vertical stress sectional drawing of roadway(the first case)

图8 顶板0.3m深处垂直应力平面图(第一种情况)Fig.8 Vertical stress sectional drawing in roof 0.3m(the first case)

图9和图10为第二种情况(巷道上方存在采空区)巷道围岩垂直应力剖面图。由图9可知，两帮锚杆形成的应力区相互叠加，形成有效压应力区，两帮压应力区应力值为3～4.5MPa，形成的压应力区覆盖了锚固区的大多数面积。由图10可知，工字钢棚两端的顶板应力值较高，集中明显，应力值5MPa;中间为低应力区域，应力趋于稳定，应力值1MPa。两架工字钢棚之间的顶板整体处在低应力状态，在棚与棚之间存在一个椭圆形的低应力区，在巷道两边形成了类似于锯齿状的应力变化区域。

图9 巷道垂直应力剖面图(第二种情况)Fig.9 Vertical stress sectional drawing of roadway(the second case)

图10 顶板0.3m深处垂直应力平面图(第二种情况)Fig.10 Vertical stress sectional drawing in roof 0.3m(the second case)

支护方案在控制巷道围岩变形方面的对比见表6。

表6 支护方案控制围岩变形对比Table 6 Deformation of surrounding rock of supporting schemes

通过以上分析可知，当巷道上方为实体煤时巷道最易维护，在锚杆、锚索联合支护下，巷道受力均匀，围岩变形小;当巷道上方存在采空区时，采用架棚+锚杆支护对围岩变形起到了有效控制，且支护密度的提高使支护效果更为明显。两支护方案是合理的，能够有效的控制围岩的变形与破坏，现场施工中，应根据不同的顶板情况采取相应的支护方案。

4 结论

(1)根据阳湾沟矿地质资料，通过数值模拟分析了护巷煤柱宽度为10m，20m，30m和40m条件下煤柱垂直应力和弹塑性区分布特点，结合理论计算，考虑回采安全，兼顾煤炭资源回采率，最终确定合理护巷煤柱宽度不小于25m。

(2)针对回风顺槽不同的顶板状态，设计了支护方案，分析了不同支护状态下的应力和位移分布，得出支护方案是合理的，能够有效的控制围岩的变形与破坏。

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