留小煤柱回采巷道支护效果分析

焦明明

(晋能控股装备制造集团 寺河煤矿, 山西 晋城 048000)

锚杆支护是保证巷道围岩稳定性的有效方法之一，锚杆支护不但可以提高支护岩体的自身强度和稳定性，而且可以有效控制巷道围岩变形[1-2].研究人员对锚杆与围岩之间的相互作用机理进行了广泛研究，取得了大量的成果。但是由于煤矿地质条件的复杂性，各种支护理论不能在所有矿区取得良好效果。尤其对于留设小煤柱的回采巷道与大煤柱支护方案会有显著不同，小煤柱受到工作面回采的影响严重，裂隙会更加发育，选择正确的支护参数对于保证工作面安全回采至关重要[3-5].

1 工程概况

某矿设计能力为1 500万t/a，服务年限为140年。3-5#煤层为主采煤层，设置一盘区和二盘区两个生产盘区。3-5#煤层厚度为8.36～29.21 m，平均17.52 m；倾角为2°～6°，平均3°.8204综放工作面布置在二盘区，工作面长230.5 m，走向长度1 100 m，采用三巷布置，其中5206巷为主运输巷，5204巷为辅助运输巷，巷道之间保护煤柱为6 m小煤柱，巷道设计断面为矩形，巷道掘进宽度5.2 m、净宽5 m，掘进高度3.6 m、净高3.3 m，沿煤层底板掘进，顶煤11.4 m，为全煤巷。巷道布置示意图见图1.

图1 8204工作面巷道布置示意图

2 巷道支护方案

根据传统支护理论对8204工作面回采巷道进行了支护设计。巷道整体采用锚杆+锚索+W钢带+锚索组合钢梁+金属网联合支护，支护设计见图2.巷道顶板采用d22 mm，长2 500 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距800 mm×800 mm，两端锚杆与水平面夹角75°，其余垂直顶板打设，每排锚杆下方增加W钢带，排距800 mm；顶锚索采用d22 mm，长8 300 mm，垂直顶板打设，排距1 600 mm、间距2 000 mm.两帮采用d22 mm，长3 000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆(回采帮采用玻璃钢锚杆)，排距800 mm，间距900 mm.顶板及两帮锚杆下方打设W钢带，锚索下方架设11#矿用工字钢。两帮铺设网格50 mm×50 mm塑料网，防止片帮伤人。

图2 5204巷支护设计图

3 围岩稳定性数值模拟分析

3.1 数值模型的建立

采用数值模拟软件CDEM对支护条件下围岩稳定性及应力分布进行数值模拟，建立xy二维数值模型，数值模型包含煤层底板24 m，煤层及顶板146 m范围。长度500 m，高度170 m.模型边界条件：x方向两侧位移约束，y方向底面位移约束，y方向顶面施加8.75 MPa垂直应力，模拟上覆350 m左右的岩层自重压力，模型采用四边形网络。数值模型见图3.

图3 模拟模型图

3.2 巷道围岩稳定性分析

8204工作面开采过程中巷道围岩变形情况见图4.由图4可知，工作面开采过后5206巷变形严重，导致其上覆顶板向采空区方向倾斜，顶板岩层裂隙较多，但是并没有完全垮落。两巷中间的小煤柱状态较为完好，仅靠近5206巷一侧有多条裂隙发育，但并没有贯通，其余位置较为完整。5204巷围岩基本稳定，其上覆顶板受到5206巷顶板倾斜的影响，裂隙逐渐向5204巷上方延展，在锚杆、锚索支护作用下并没有完全发育，不足以影响到巷道围岩稳定性，顶底板最大移近量为125 mm，左帮最大移近量165 mm，右帮最大移近量80 mm.由此可见，5204巷支护方案可行，能保证巷道围岩稳定性。

图4 巷道围岩稳定性图

3.3 锚杆受力分析

巷道锚杆受力图见图5.从图5可以看出，5206巷围岩变形严重，5204巷围岩较为完整。尤其是5206巷顶板变形大，锚索、锚杆受力大，部分区域已经发生了严重变形，顶锚索所受最大拉应力为525 MPa，帮锚杆受到最大拉应力为293 MPa，部分锚杆、锚索受力已经超过或接近材料的强度极限，随时存在破断风险。5204巷变形较小，锚杆、锚索主要以拉应力为主，应力集中在150～200 MPa,均处于各自锚固力范围，锚杆、锚索能够很好地发挥锚固作用，保证巷道围岩稳定性。

图5 两侧巷道锚杆受力图

综上分析可知，8204工作面回采过程中，5206巷的支护系统被完全破坏，导致围岩破损严重；5204巷锚杆、锚索受力均在合理范围，巷道变形量较小，说明支护方案可以很好地保证5204巷的整体稳定性。

4 工程应用

为了保证小煤柱5204巷道围岩稳定性，验证支护方案的合理性，对5204巷围岩移近量进行了观测，观测结果见图6.由图6可知，随工作面的推进，5204巷围岩移近量及移近速率均在逐步增加，两帮最大移近量为192 mm，最大移近速率为64 mm/d；顶底板最大移近量为100 mm，最大移近速率为20 mm/d，变形量与数值模拟结果相近。由此可见，巷道两帮变形程度要大于顶底板，工作面对巷道围岩影响范围为0～60 m，在超前工作面25 m范围内影响最大。

图6 5204巷围岩移近量变化曲线图

5 结 语

针对8204工作面5204巷小煤柱破坏严重的问题，对其支护方案进行了设计。通过数值模拟分析可知，该支护条件下巷道顶底板最大移近量为125 mm，左帮最大移近量165 mm，右帮最大移近量80 mm，锚杆和锚索受力集中在150～200 MPa,均处于各自锚固力范围，锚杆、锚索能够很好地发挥锚固作用。现场工程应用围岩变形量与数值模拟结果相近，进一步证明8204工作面小煤柱巷道支护设计科学合理。