护巷煤柱中部水仓加固技术研究

摘 要：以纳林河二号矿为工程背景，对护巷煤柱中部水仓段稳定性进行了分析，提出了墩柱加固方案，监测结果表明：回采期间，水仓顶板最大下沉量为55mm，两帮移进量最大为34mm，围岩整体变形不大，均在可控范围内，墩柱受力满足强度要求，表明加固方案科学合理，满足安全生产要求。

关键词：护巷煤柱；中部水仓；墩柱；加固

0 前言

留设煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法，传统的留煤柱护巷方法是在上区段运输顺槽和下区段回风顺槽之间留设一定宽度的煤柱，使下区段顺槽避开固定支承压力峰值区。煤柱水仓的留设，为解决矿井排水提供了便利，但改变了煤柱的应力分布，增加了支护难度。为了降低风險，保证下个工作面在过煤柱水仓时正常回采，本文对护巷煤柱水仓进行了加固设计与研究。

1 工程概况

乌审旗蒙大矿业有限责任公司是中煤集团未来发展的重点之一，其下属纳林河二号矿井平均采深约550m，3-1煤工作面煤柱留设宽度为25m。31102工作面一号水仓布置在31102工作间与31103工作面之间的25m煤柱中，位于19号与20号联巷之间，水仓宽度两侧煤柱较小，为10.4m，水仓宽度4.2m。煤柱水仓段受回采时超前压力以及回采后对煤柱侧向压力影响，水仓易发生变形、破坏，所以需要对于水仓提前进行加固处理。

2 护巷煤柱水仓段稳定性理论分析

护巷煤柱一侧为回采区，一侧为采准巷道。回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成各自的塑性变形区，塑性区的宽度分别为x0，x1。护巷煤柱保持稳定的基本条件是：煤柱两侧产生塑形变形后，在煤柱中央存在一定宽度的弹性核，弹性核的宽度不应小于2倍煤柱高度。即使在煤柱内开挖一条非常窄的巷道，也会引起煤柱应力重新分布，造成有效支承面积减小，煤柱承载力急剧下降。煤柱中布置水仓就是如此。

水仓靠采空区侧护巷煤柱易整体失稳。由于水仓靠采空区侧小煤柱整体失稳，导致煤壁峰值应力向深处转移，造成水仓靠顺槽小煤柱压力增加，带来的问题可能如下：

①煤柱整体失稳。由于两侧巷道的存在，两侧相加为11m，大于水仓靠辅顺小煤柱的宽度10.4m，导致水仓两侧的小煤柱均存在整体失稳的风险，且水仓靠采空区小煤柱整体失稳风险性最大。

②辅运顺槽压力大，变形大。辅运顺槽压力大，大煤柱整体压缩，辅运顺槽顶板不均匀下沉，副帮侧顶板下沉量大于正帮侧顶板下沉量，顶板呈现倾斜状态，由于水仓靠辅顺小煤柱压力增大，副帮出现鼓出现象。

③水仓严重变形甚至垮塌。水仓处于煤柱的弹性区，位于应力峰值附近，压力大，同时长期处于矿井水浸泡中，围岩强度降低，因此水仓存在严重变形及垮塌的风险。

④煤柱水仓段冲击矿压风险陡增。煤柱水仓段在二次回采时，受超前采动影响，水仓两侧小煤柱及回风顺槽（上个面辅运顺槽）支承压力陡增，煤岩体所受的应力超过自身强度，在顶板超前来压的作用下，极易造成辅运顺槽发生冲击矿压现象。

3 护煤柱水仓段加强支护设计

3.1 原有支护

在31102工作面一号水仓内架设单体，水仓长度为50m。按一排三根、间排距1m布置；采用型号为DW31.5-300/110单体支柱，打设单体后活柱行程不小于200mm，初撑力符合规定要求。单体安设柱靴、柱帽，单体柱鞋安装在硬底板上。

3.2补强支护设计

在原有基础上采用墩柱补强支护。墩柱直径600mm，高度3.1m，伸缩范围0.5m，中心距5m。对于拱形巷道，按照《公路隧道设计规范》中围岩压力公式计算上覆岩层垮落高度及荷载。

式中：q为垂直均布压力，kN/m2；γ为围岩重度（kN/m3），取25；S为围岩级别，考虑围岩塑形变形，按5级考虑；B为巷道宽度，m；i为B每增加1m时的围岩压力增减率，以B=5m的垂直均布压力为准，当B<5时，取i=0.2，当B>5时，取i=0.1。

根据公式（2）计算得G=695kN/m，600mm直径墩柱的支护强度为5652kN，墩柱中心距为5m时，每米支护强度为5652kN/5=1130kN/m>695kN/m，满足要求。

为了增加护顶面积，在墩柱中间增加π型钢梁，长度6m，两端搭接在墩柱上。墩柱上部连接顶锚下部连接底锚。锚杆直径22mm，长度1200mm，外露500mm。支护断面图见3.1。

4 现场工业性试验效果评价

现场布置了3个监测断面对水仓整体围岩变形和墩柱受力进行实时监测。监测结果表明：回采期间，水仓顶板最大下沉量为55mm，两帮移进量最大为34mm，围岩整体变形不大，均在可控范围内，墩柱受力满足强度要求，表明加固方案科学合理，满足安全生产要求。

5 结论

①理论分析表明，水仓恰处于煤柱的弹性区，位于应力峰值附近，导致煤柱无弹性核，压力大，同时长期处于矿井水浸泡中，围岩强度降低，因此水仓存在严重变形及垮塌的风险且靠采空区小煤柱整体失稳风险性最大。

②在水仓进行了墩柱补强支护。由监测数据可知，回采期间，围岩整体变形不大，均在可控范围内，墩柱受力满足强度要求。加固方案可为类似工程设计提供一定参考价值。

参考文献：

[1]张红军，李海燕，李红伟.深部回采巷道围岩破坏机制及控制技术[J].煤矿安全，2016，47（09）：93-96.

[2]申志平.沿空掘巷煤柱宽度与支护参数的研究与应用[J].煤炭科学技术，2010，38（7）：31-34.

作者简介：

潘涌治（1984- ），男，本科学历，内蒙古赤峰市人，助理级工程师，2009年毕业于内蒙古科技大学，现从事现场技术管理工作。