矿井合理煤柱宽度确定与巷道支护技术研究

杨龙龙

摘要：合理的护巷煤柱宽度及支护参数对提升矿井的煤炭采收率及保证巷道的安全都具有重要的意义。文中以2603回采工作面回风巷掘进为工程背景，采用数值模拟技术手段对不同的煤柱宽度进行模拟分析，在确定合理煤柱为25m的情况下，对巷道的支护参数进行设计，结果表明采用的护巷煤柱宽度及巷道支护参数可以对2603回风巷的安全使用。

关键词：煤柱宽度;巷道支护;围岩变形

一般情况下，我国矿井巷道采用煤柱对巷道进行保护，煤柱宽度过大时，会导致宝贵的煤炭资源造成浪费，煤柱宽度过小时，会导致巷道出现较大的变形，影响回采工作面的正常推进，因此，加大对护巷煤柱留设宽度的研究，并合理进行巷道的支护设计对保证矿井安全高效生产具有重要意义。文中以山西某矿2803回采工作面为工程背景，采用数值模拟手段对合理煤柱宽度进行分析，并根据巷道具体地质情况对巷道进行了支护设计。

1工程概况

山西某矿2803回采工作面位于矿井东南侧二采区，开采8号煤层，煤层的平均厚度为3.6m。2803回采面东侧为已经开采完毕的2801回采面采空区，西侧为实体煤，南恻为井田边界，北侧为二采区主要运输巷。设计的2803回采面走向长度为870m，倾斜长度为186m。采用锚杆、锚索联合支护，现2803 工作面回风巷正待掘进。8号煤层的顶板为厚度为3m的泥岩，老顶是厚度在25m的中砂岩;煤层底板为厚度在2m的砂质泥岩，直接底为厚度在14m的细砂岩。

2模拟分析

根据2803回采工作面及邻近的回采面护巷煤柱的留设宽度，利用FLAC模擬软件对lOm、20m、30m、40m等不同情况下煤柱宽度进行分析，对煤柱内的应力分布、塑形变形情况进行分析，从而合理的确定煤柱的留设宽度。根据回采工作面的实际情况，在建立的数值模拟模型中上部施加5MPa垂直应力，固定模型的下部，左、右侧边界。建立的数值模拟模型如图1所示。

2.1塑形区分析

当采用lOm护巷煤柱时，煤柱内部的塑性区全部贯通，煤柱中间未存在有弹性区，煤柱整体遭到破坏，煤柱整体稳定性较差，随着护巷煤柱宽度的不断增加，煤柱的整体稳定性有所增加;当护巷煤柱宽度为20m时，在靠近2601回采工作面采空区侧煤柱的塑性区宽度约为8.5m，护巷煤柱内部存在有一定宽度的弹性区，煤柱能够保持整体为稳定;当护巷煤柱宽度为30-40m时，护巷煤柱内在2601采空区侧塑性区及开采巷道侧的塑性区宽度基本保持不变，煤柱中部的弹性区范围不断增加。根据数值模拟结果，护巷煤柱宽度超过一定值之后，煤柱宽度的增加并不能有效的增加开采巷道的稳定性，但是会造成煤炭资源的浪费。

2.2应力分析

从数值模拟结果可以看出，当采用护巷煤柱宽度为lOm时，回采工作面侧面采空区造成的应力集中与巷道开采造成的应力集中出现重叠，煤柱承受较大的支撑压力，不利于护巷煤柱的整体稳定，随着护巷煤柱宽度的不断增加（ 20m、30m、40m），在护巷煤柱中形成由于采空区以及巷道开采引起的应力集中，各位于护巷煤柱两侧，巷道内部应力峰值不断减小。当护巷煤柱宽度为10-20m时，在护巷煤柱中存在由2601回采面采空区以及2603进风巷巷道掘进的应力集中值，应力集中峰值大小分别为10.6MPa以及12.4MPa，随着护巷煤柱宽度的增加，煤柱内的应力分布曲线由单峰状变成双峰状，护巷煤柱内部的应力峰值分别在9.3MPa以及8.4MPa.煤柱内的应力变化较为平缓，煤柱中的应力峰值降低，煤柱的整体受力更趋于均匀。具体如图2所示。

3巷道支护设计

通过模拟分析可以知道，2603回采面合理的巷道合理的宽度不应小于25m，在这样的宽度下，护巷煤柱内的塑性区分布及应力分布均较合理，因此，在25m煤柱宽度时对巷道进行支护设计。2603回风巷位于2601回采面采空区下侧，巷道顶板受到采空区侧向压力作用明显。

2603回风巷位于2601回采面采空区下方，巷道顶板位置距离采空区顶板距离在Sm左右，受到邻近回采的动压影响，2603回风巷将会出现较大的底鼓及顶板变形，局部区域容易破碎，巷道支护较为困难。针对上述情况，需要对2603回风巷进行补强支护，采用的具体支护方式为：锚杆+T字钢+金属网+喷浆的联合支护方式，锚杆的支护间排距均为900mm，采用的锚杆直径为18mm，长度在2lOOmm。

通过模拟方式对采用的巷道支护参数进行分析，采用锚杆支护后施加预应力造成的应力叠加区出现叠加，并将锚杆支护区域形成一个连续的整体，在支护空间形成整体的支护结构。在巷道的顶板以及两帮区域内，均产生一定厚度，范围较大的压应力区，顶板处形成的压应力区在2MPa，在巷道两帮形成的压应力区的大小在4MPa左右，巷道支护形成的压应力区范围覆盖整个巷道支护空间。

采用上述支护方式后，对巷道顶底板及两帮位移量进行监测，结果显示，顶板的最大变形量在50mm，底板的最大底鼓量在38mm，巷道的煤柱帮变形量在26mm，实体煤帮的变形量在2lmm.表明采用的巷道支护方式可以有效的对巷道围岩进行支护。

4总结

根据矿井的实际地质资料，分别对2603回风巷lOm-40m等4个不同护巷宽度下，巷道内的垂直应力，塑性区分布情况进行模拟分析，在考虑巷道安全、煤柱稳定以及煤炭采收率的基础上，综合确定合理的护巷煤柱宽度为25m，并对25m煤柱宽度下的巷道支护进行设计，设计的巷道支护方式及支护参数可以有效的维护巷道围岩稳定，保证巷道安全使用。

参考文献：

[1]徐兵，断层影响下巷道变形机理及补强支护技术研究[J].煤炭工程，2018（12）：50-53.

[2]金志远，徐佑林，邓川，许猛堂，深井高地应力节理化巷道围岩支护设计数值模拟研究[J].矿业研究与开发，2018，38（11）.57-60.