巷道合理留设煤柱宽度分析及支护设计

2022-07-14程巨文

机械管理开发 2022年6期

程巨文

（山西焦煤西山煤电西曲矿，山西太原 030000）

引言

我国地域辽阔，能源储量十分丰富，但能源格局整体呈现出多煤少油贫气的格局，在“十三五”规划以来，我国提出利用清洁能源代替化石能源的口号，但由于我国国情的限制作用，使得矿产资源的开采量仍十分巨大，所以在未来很久的时间内，煤矿资源的开采仍是我国能源需求量的重要保障。在我国留煤柱开采是一种重要的开采方式，留煤柱开采不仅可以降低巷道变形程度，同时留设煤柱可以有效降低矿井支护难度，但在我国留煤柱开采的矿山，由于技术的局限性，使得很多煤矿煤柱留设煤柱并不合理[1-2]。煤柱留设过小巷道变形量无法得到有效的限制，此时支护需要更高的成本，而煤柱宽度留设过大时，矿井出煤率将会大大折扣，严重影响矿山经济，所以合理的煤柱留设宽度对于矿井开采十分重要。此前众多学者对矿井煤柱留设宽度进行过一定的研究[3-4]，但不同地质环境下的煤柱留设宽度大不相同，无法直接引用，因此，以某矿为研究背景，对煤柱留设宽度进行研究，通过数值模拟对煤柱合理留设宽度进行研究，同时给出相应的支护方案。

1 3103 工作面概况及数值模拟研究

某矿二采区5 号煤层高度在+2183～+2222 m（高差39 m）之间，矿区高山沟壑，没有建筑物。5 号煤层从东到西分布长而狭窄，西部、南部地势较高，东部、北部地势相对较低。3103 工作面位于二矿区5 号煤层中，上覆4 号煤层已经开采完毕，下覆煤层6 号仍处于开采中。5 号煤层位于3103 工作面的上部，是3102 工作面的采空区，煤层厚度为6 m，煤层倾角为44°，煤层的平均埋深为200 m。在实际开采中，使用综采机一次采全高技术，工作面倾斜和走向长度分别为100 m、1000 m。

对模型进行建立，在进行模型建立时，充分考虑实际地质情况，建立模型长、宽、高分别为200 m×80 m×205 m，对模型进行网格划分，在进行网格划分时，需要考虑模型的计算精度及模拟计算时间，避免出现计算时间过长或者计算精度过低的情况，本文选定六边形划分方式进行网格划分，最终网格共计318400个，节点323560 个，对模型的边界条件进行设定，固定模型左右边界垂直及水平方向的位移，对模型的底端施加垂直方向的固定约束，在模型的顶端施加4 MPa 的均布载荷，本构模型选定为摩尔- 库伦模型，完成模型的设定。对模型进行计算。

对不同煤柱宽度下，煤柱内部应力分布情况进行分析，同样选定煤柱宽度3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m进行分析，不同煤柱宽度下煤柱内部应力曲线如图1所示。

图1 不同煤柱宽度下煤柱垂直应力分布曲线

从图1 可以看出，煤柱内部应力呈现先增大后减小的趋势，在应力峰值出现之前，煤柱内部垂直应力呈现线性增长，在增大至最大值后又呈现线性衰减的趋势，同时煤柱宽度越大，煤柱内部应力峰值数值越大。当煤柱宽度为3 m 时，此时煤柱内部应力峰值为3.9 MPa；当煤柱宽度为6 m 时，煤柱内部垂直应力峰值为9.2 MPa；当煤柱宽度为8 m 时，此时煤柱内部垂直应力最大值为14 MPa。当煤柱宽度为3.0～4.0 m时，此时煤柱内垂直应力峰值较原岩应力低，此时煤柱的承载能力较弱，而随着煤柱宽度的增大，垂直应力峰值逐步增大，当煤柱宽度为5.0 m 时，此时煤柱内应力峰值仍较低，锚杆很难锚固，所以煤柱宽度为6.0～8.0 m，煤柱内垂直应力峰值大于原岩应力，同时煤柱宽度增大，垂直应力峰值增大趋势逐步减弱，利于锚杆锚固。

综上，当煤柱宽度小于6.0 m 时，垂直应力峰值较小，较难进行维护，而煤柱宽度大于6.0 m 时，利于锚杆锚固。所以从煤柱稳定承载情况来看，煤柱合理的宽度应大于6.0 m。

对不同煤柱宽度下巷道的水平应力分布情况进行分析，煤柱宽度分别为3～8 m，每1 m 模拟一次，在煤柱内部布设一条位移监测线，将不同煤柱宽度下水平位移进行汇总如图2 所示。

图2 不同煤柱宽度下煤柱位移分布

从图2 可以看出，不同煤柱宽度下煤柱水平位移曲线呈现出非对称的情况，当煤柱宽度为3 m 时，此时煤柱左帮位移量为-150 mm，煤柱右帮位移量为90 mm，所以煤柱两帮变形量为240 mm；当煤柱宽度为6 m 时，此时的煤柱左帮位移量为-75 mm，煤柱右帮位移量为40 mm，所以煤柱两帮变形量为110 mm；而当煤柱宽度为8 m 时，此时的煤柱左帮位移量为-60 mm，煤柱右帮位移量为20 mm，所以煤柱两帮变形量为80 mm。由此可以看出，随着煤柱宽度的增大，煤柱左右端的位移量呈现出逐步降低的趋势，但降低的趋势逐步减小，在煤柱宽度小于6 m 时，此时为煤柱左右端位移量下降趋势较大，而当煤柱宽度大于6 m 时，此时的煤柱两端位移量下降趋势逐步降低。同时通过对比发现，煤柱左帮变形量明显大于右帮变形量，这是由于煤柱左帮应力较大，在考虑煤柱变形及经济效益后，确定合理的煤柱宽度为6 m。

2 支护方案设计

在确定了最佳煤柱宽度后，对现场进行支护方案进行设计，具体支护方案如下所示：

顶板选用杆体直径22 mm 的螺纹钢锚杆，锚杆长度2400 mm，杆尾螺纹为M24。间排距为900 mm、1000 mm，采用树脂加长锚固，钻头直径30 mm，每根锚杆采用2 支CK2340 树脂锚固剂，锚固长度887 mm。同时锚杆采用方形带拱托板，尺寸为150 mm×150 mm×10 mm，采用W 钢带护顶，钢带厚度4 mm、宽280 mm、长度4800 mm，巷道角锚杆与垂直方向倾斜15°，剩余锚杆垂直顶板安装，锚索采用Φ21.6 mm×8300 mm 的17 股预应力钢绞线，采用3 支CK2360 树脂锚固剂。

锚索采用“三三”布置，间距1600 mm、排距2000 mm，每排3 根，垂直巷道顶板打设。

煤柱帮侧采用锚杆直径22 mm 的左旋螺纹钢锚杆，锚杆长度为2400 mm。锚杆间排距为1000 mm、1000 mm，每排4 根，与巷道顶板成65°夹角布设，采用一支CK2360 树脂锚固剂。锚杆配件采用方形带拱托板，托板尺寸为150 mm×150 mm×10 mm，托板高度不低于36 mm，钢号不低于Q235，网片规格采用8 号铁丝编制的菱形金属网护帮，金属网网孔规格50 mm×50 mm，在巷帮位置金属网长×宽=3600 mm×1200 mm。支护断面如图3 所示。