30107综放沿空掘巷窄煤柱设计研究

冯昭军

摘 要：为提高矿井采出率，增加矿井经济效益，本文以30107综放工作面为背景，采用数值模拟软件和雷达探测进行煤柱宽度优化设计，并根据煤柱宽度对回采巷道进行合理支护设计。研究表明：留设5m窄煤柱较为合理，顶板锚杆长度2.2m，两帮锚杆长度1.8m，直径18mm，锚索规格Φ15.5×5000mm，可实现大量释放煤炭资源。

关键词：综放;沿空掘巷;窄煤柱

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）14-0171-02

依照多出煤炭，多出效益的技术思路，为保障矿井安全生产，对30107综放工作面进行窄煤柱沿空掘巷设计，在此基础上实现安全高效开采。

1 工程概况

1.1 矿井布局及接续情况

（1）采掘布局情况。矿井目前布置有1个生产盘区：301盘区;2个准备盘区：302和303盘区。1个采煤工作面：30108综采工作面;2个掘进工作面：一水平北翼辅助运输大巷延伸和30107工作面切眼刷扩。

（2）生产接续。采煤：30108工作面剩余可采量作为矿井验收，暂不回采，接续工作面为30107工作面。掘进：年底计划完成30107工作面切眼剩余刷扩工作，完成一水平北翼皮带大巷、带式输送机大巷和回风大巷延伸掘进各510m，完成30110工作面回采巷道掘进任务。

1.2 工作面概况

30107工作面东侧为大巷保安煤柱;南侧为一采区30105工作面采空区;西侧为井田边界;北侧为30109工作面（未开采区）。工作面开采延安组3号煤，煤厚10.5m，煤层结构简单。可采走向长度1414.5m，倾向长度200m，可采储量315万t。煤层顶底板情况见表1。

2 窄煤柱合理尺寸确定

2.1 数值模拟计算

模型的几何尺寸比较大，宽×高为400m×290m，左、右边界分别模拟到了30105工作面采空区和30109工作面，考虑到软件对模型單元数的限制和研究对象的区域集中性，3煤本身及其顶底板附近围岩网格划分的较密，而模型边界附近的网格划分的较疏。

图1中等值线间隔值为0.1，巷道位于K=1.3～1.2区域内。将意味着巷道掘进后两帮将会产生比较严重的变形与破坏。图中白色区域为巷道围岩塑性区范围。

皮带巷侧支承压力集中系数k等值线图及下帮5m处巷道围岩应力皮带巷支承压力集中系数k等值线图如图2所示。

图中等值线间隔值为0.1。煤柱宽度0m时K=0.9～1.0，煤柱宽度0～2m时巷道位于K=1.0～1.1，煤柱宽度2～3m时K=1.1～1.2， 煤柱宽度3～5m时K=1.2～1.3区域，煤柱宽度大于7～8m后应力急剧升高，煤柱宽度10m时K=17～1.8区域。可见煤柱宽度不应大于7～8m，而且原则上以不留煤柱掘进巷道最为有利。

2.2 围岩松动圈雷达探测成果分析

围岩松动边界确定：分析雷达探测成果可知，在约2.5m处雷达波的同相轴很明显，再向深处则波幅迅速衰减，依据探地雷达的基本原理，可以判定此处为巷道围岩松动圈的边界位置。

围岩松动范围变化规律：从总的趋势来看，由边缘向工作面中央区域，松动圈范围由大变小，反映出应力分布亦呈由大到小的规律。

由此得到以下结论：距30105采空区10～39.6m段巷道围岩松动圈最大，此位置围岩应力水平较高，因此不宜将30107轨道顺槽布置在该区域内，即合理煤柱宽度应小于8m。

2.3 煤柱尺寸

综合上数值模拟及雷达控测分析结论，30107轨道顺槽合理位置为距采空区边缘4～5m左右，同时考虑防火、水和瓦斯的原因，与采空区留设5m窄小煤柱进行布置。

3 工作面回采巷道支护设计

3.1 支护设计原则

由于沿空巷道松动范围较大，尤其是在4～5m小煤柱情况下，巷道单独采用锚杆支护在安全上不太可靠，因而需要采用锚网索梯联合支护，其中均以锚杆主动加固为主，锚索支护的作用主要是防止顶板离合。

锚杆设计应遵循“高锚固力、高预紧力、高可靠性”设计原则，确保安全生产。同时在锚杆设计中，还应考虑沿空巷道两帮压力大小不同的问题（小煤柱巷道实体帮压力偏大），以及“动载影响”问题。

3.2 支护参数设计

（1）锚杆间排距。考虑到目前煤矿的锚杆质量与施工机具的影响，沿空巷道锚杆间排距不宜大于0.9m，故取设计间距800mm，排距900mm。

（2）锚杆设计参数的确定。

①锚杆长度。根据已确定的30107工作面回采巷道煤柱宽度，在已形成的支承压力状态下掘进巷道，模拟分析巷道松动范围与破碎程度，据此确定锚杆长度，并分析是否需要采用锚索并确定锚索长度。

以5m煤柱为条件，模拟得到巷道垂直位移分布，顶板垂直位移在巷道表面最大，随着距离巷道顶板高度的增加，变形逐渐减小。不同高度的位移值见表2。

从表2变化规律看，50%以上的变形都集中在顶板以上0-1.6m的范围内，在1.6m之外变形迅速减小，表明顶板的松动范围为1.6m左右。因此，锚杆有效长度应不小于1.8m，而之外部分由锚索承担。故此确定，顶板锚杆设计长度为2.2m，两帮设计长度为1.8m。

②锚固力的确定。树脂锚固锚杆锚固力Pm，由锚杆屈服强度Pg、树脂对杆体的包裹力Pb、树脂与孔壁岩石粘结力Pr三部分中的最小值确定，即：Pm=min{Pg，Pb，Pr}

数值模拟计算得到的5m煤柱沿空巷道顶板最大变形与锚杆屈服强度之间的关系，即umax-Pg关系见表3。

由表3可见，随着锚杆锚固力的增加，巷道变形逐渐降低，但降低的幅度不同。当锚固力小于10t时变化明显，大于10t以后变化相对平稳。因此锚杆强度不应小于10t。此外，在复杂采动条件下，沿空巷道需经受动载影响，因此还需要考虑“动载影响系数”。为此，在静力学分析模型基础上，采用动力学模拟方法，对锚杆受动载作用下的受力情况进行了研究，取动载影响系数为1.2，则沿空巷道的锚杆锚固力设计为12t。

③锚杆杆体强度及直径。锚杆杆体强度Pg≥锚固力，故设计为12t，通过已知杆体强度，根据采用的螺纹钢抗拉强度，可以得到锚杆直径。螺纹钢抗拉屈服强度Rt为500MPa，则锚杆直径（mm）为：

将已知量代入，计算锚杆理论值为16mm，同时结合周边煤矿开采实际，取锚杆直径设计值为18mm。

（3）锚索布置方式。锚索支护的间距为：3000mm，巷中单排布置，规格为Φ15.5×5000mm钢绞线，托盘为圆托盘D=200×18mm（或增大锚饼长×宽×厚：350×350×10mm），采用4卷MSZ2350#树脂锚固剂，预紧力不少于8～10t。

4 设备安装

30107工作面采用大采高回采工艺，后退式综采放顶煤采煤法，使用高压注水进行顶煤预裂。30107工作面需要安装ZYF18000/29/55D型中间液压支架92架，过渡支架ZFG18600/29.5/50D型液压支架7架（溜头3架、溜尾4架），运顺端头安装ZTZ20000/25/47D型端头支架1组，运顺安装ZTCY20000/25/47D型超前支架1组，回顺安装ZTCH 39100/25/47D型超前支架1组，工作面安装MG900/2245-GWD型双滚筒采煤机1部，工作面安装SGZ-1000/2*855刮板输送机2部各200m，运顺安装SZZ1350/700型转载机一部，长度为70m，PLM4000型破碎机一部，电控液压移动列车组1套，可伸缩胶带输送机一部，长度为1650m。在30106联巷内根据设计改造综采远距离集中供液设备硐室，共放置3台BRW630/37.5型高端智能乳化液泵，2台BPW800/16型高端智能喷雾泵。

5 结语

30107工作面采用留设5m窄小煤柱进行沿空掘巷，可回收煤炭資源7.4万余吨，提高矿井采出率，增加矿井经济效益，实现矿井高产集约化生产。

参考文献

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