上社矿9304回风顺槽煤柱留设与支护探讨

荆星刚

（阳泉市上社煤炭有限责任公司，山西 盂县 045100）

1 工程概况

山西煤炭运销集团上社煤矿9304 回风顺槽掘进工作面位于9#煤采区西翼，东部与9#煤辅助回风巷、9#煤皮带巷、9#煤轨道巷、9#煤回风巷相邻；西部为矿井边界，与二景煤矿相邻；南部与9302 工作面（未成面）相邻；北部与9304 准备工作面实体煤。9304 回风顺槽布置平面如图1 所示。9#煤层厚度2.8～3.8 m，平均3.3 m；煤层倾角1°～8°，平均5°，煤层内生节理裂隙发育。 9#煤层直接顶为砂质泥岩、8 m 煤、K7砂岩，厚度分别约2.5 m，0.9 m，1.1 m，约2～3 层；基本顶为深灰色砂质泥岩，厚度平均7.3 m；直接底板为砂质泥岩，平均厚度约1.8 m，灰黑色，富含植物化石及黄铁矿结核。

图1 9304 回风顺槽布置平面

9304 回风顺槽沿9#煤层底板掘进，巷道断面为矩形，掘宽×掘高=4 700 mm×3 100 mm，巷道为动压巷道。9304 回风顺槽主要为9304 工作面提供行人、回风等服务，在全服务周期内将受到本巷道掘进动压影响、相邻巷道掘进动压影响、相邻工作面回采超前影响、相邻工作面回采动压影响、本工作面回采超前影响等。 巷道动压影响与地质条件、煤柱尺寸等因素有关，现为保障巷道围岩稳定，对合理留设护巷煤柱宽度以及巷道支护方案进行分析探讨。

2 模拟分析

在进行护巷煤柱宽度分析时，若仅采用理论分析的方式，由于煤柱计算公式中涉及参数较多，而工程现场实际掌握地质参数有限，进而导致理论分析计算得出的煤柱宽度的准确度存在一定偏差[1-4]。 为设计9304 回风顺槽合理护巷煤柱宽度，现采用有限差分FLAC3D软件进行模型分析。 根据地质条件设置煤层及顶底板各岩层的各项物理力学参数，建立模型长×宽×高=100 m×50 m×70 m，模型划分为163 436 节单元，三维模型的边界条件取为：上部为自由边界，四周和底部采用铰支[5]。 模型初始平衡计算结果如图2 所示。

图2 数值模拟模型

基于众多护巷煤柱研究理论及工程实践经验，结合9304 回风顺槽地质特征，本次设计对比分析煤柱宽度为8 m、12 m、20 m 和25 m 时围岩垂直应力、水平应力和塑性区发育特征，具体分析过程如下：

（1）垂直应力

分析图3 可知，动压巷道相邻工作面回采，会在巷道和回采面之间的煤柱上产生应力集中，且应力集中大小与煤柱尺寸有关。 在煤柱尺寸为12 m和20 m 时，此时煤柱的最大集中应力基本相同，应力最大值均为12.9 MPa；当煤柱尺寸增大为25 m 时，煤柱最大集中应力为12.6 MPa，集中程度有所减小，但减小幅度不大，说明当煤柱尺寸超过20 m 后，回采面对煤柱的动压影响不明显；当煤柱尺寸为8 m 时，煤柱最大集中应力为13.9 MPa，集中应力显著增大，说明当煤柱尺寸小于12 m时，回采面对煤柱的动压影响明显。

图3 不同尺寸煤柱垂直应力分布

（2）水平应力

分析图4 可知，随着临近工作面的回采，动压巷道顶底板均会产生一个水平应力的增高区，这个应力增高大小与煤柱尺寸有关，煤柱尺寸越大，水平最大应力越小；煤柱尺寸越小，水平最大应力越大。

图4 不同尺寸煤柱水平应力分布

（3）塑性破坏区

分析图5 可知，在采空区附近开掘巷道，会在巷道围岩和采空区侧煤柱产生应力集中。 工作面回采后，采场边缘煤壁附近煤岩体出现塑性破坏，煤柱宽度为8 m 时，整个煤柱全部破坏；煤柱宽度为12 m 时，煤柱中部出现少量弹性核区，但煤柱破坏区域没有贯通；煤柱宽度为20 m 时，煤柱中间出现一定宽度的弹性区，此时煤柱中弹性核区偏大；当煤柱宽度进一步增大为25 m 时，护巷煤柱中部弹性核区的宽度进一步增大，此时煤柱中弹性核区的宽度过大。 由此可见，当煤柱宽度小于12 m 时，煤柱会因应力集中而破碎，容易产生失稳崩塌或破碎漏风，尤其对于瓦斯矿井，影响更大。

图5 不同煤柱尺寸塑性区发育特征

综合上述分析，结合9304 回风顺槽地质特征，考虑到为保障护巷煤柱本身的稳定，煤柱合理宽度内应留存有一定的弹性核区，弹性核区的存在能够保障煤柱自身具有一定的承载能力；另外结合不同煤柱下围岩水平应力和垂直应力的分析结果，最终确定护巷煤柱的宽度为12 m。

3 巷道支护方案

根据9304 回风顺槽的地质条件，结合护巷煤柱数值模拟分析结果，确定巷道采用锚网索支护，设计巷道支护方案如下：

1）顶板支护。 锚杆采用φ22 mm×2 400 mm的螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm，巷道每断面顶板布置6 根锚杆；锚杆采用树脂药卷加长锚固，锚固长度为1 100 mm；锚杆均垂直与顶板布置，预紧扭矩为300 N·m。顶板锚杆间采用W 型钢带进行连接，钢带规格为长×宽×厚=4 300 mm×280 mm×4 mm。

锚索采用17 股高强度低松弛预应力钢绞线，规格参数为φ17.8 mm×5 200 mm；锚索垂直顶板布置，采用“二二”布置，间排距1 600 mm×1 000 mm，每个断面布置2 根锚索；锚索采用树脂加长锚固，锚固长度为1 360 mm。 顶板表面采用10#铁丝编制的菱形网进行护表，网片规格为5 200 mm×1 100 mm。

2）巷帮支护。 锚杆规格参数同顶板，间排距为800 mm×1 000 mm，锚杆锚固方式及预紧力矩参数均同顶板，巷帮每排4 根锚杆。 巷帮锚杆同样采用W 型钢带连接，钢带参数同顶板。 巷帮表面同样采用菱形网进行护表，菱形网网片规格3 300 mm×1 100 mm，网孔规格50 mm×50 mm，网片之间搭接100 mm。

9304 回风顺槽巷道具体锚杆锚索支护布置如图6 所示。

图6 9304 回风顺槽支护布置

4 效果分析

9304 回风顺槽掘进期间，通过在掘进迎头布置围岩观测点进行围岩变形情况矿压监测，围岩变形监测主要包括顶底板移近量和两帮移近量[6-7]。 根据围岩变形监测结果得出巷道掘进期间围岩变形曲线如图7 所示。

图7 巷道掘进期间表面位移监测曲线

分析图7 可知，9304 回风顺槽掘进期间，巷道位移在巷道掘进期间逐渐升高，大约在工作面后方40～50 m 趋于平缓，巷道变形趋于稳定。 巷道变形以两帮变形为主，顶底板变形较小，产生这种现象的主要原因为巷道两帮为实体煤，且9#煤内节理裂隙发育，进而出现两帮移近量大于顶底板下沉量的情况。

综合上述分析可知，巷道在锚网索支护方案下，围岩处于稳定状态。

5 结语

根据9304 回风顺槽的地质条件，采用数值模拟的方法对护巷煤柱的合理宽度进行了分析。 通过分析不同煤柱宽度下围岩应力及塑性区发育特征，确定煤柱宽度为12 m。 结合数值模拟结果和巷道赋存特征，决定采用巷道锚网索支护方案，根据支护方案实施后围岩变形矿压监测数据分析可知，巷道在12 m 煤柱和现有支护下围岩处于稳定状态。