沿空掘巷预留煤柱宽度及支护方案的优化设计研究

摘 要：煤柱留设宽度和位置合理与否，直接关系到本层位煤层在回采过程中煤柱受力状态，所选择的巷道支护方式对巷道围岩的稳定性有决定性的影响。本文通过数值模拟，计算优化确定了预留煤柱的合理范围以及巷道锚杆支护方案与具体参数。

关键词：煤柱 数值模拟 支护 应力 位移

中图分类号：TD353 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0061-05

煤柱宽度是综采沿空巷道布置系统中最重要的方面，煤柱宽度对巷道围岩稳定性的影响体现在两方面：一是煤柱宽度决定了沿空巷道的布置位置，从而决定了沿空巷道的整体应力状态；二是煤柱宽度影响着护巷煤柱的稳定性，进而直接影响着巷道的整体稳定性。合理的支护方案，不仅可以增加巷道围岩的稳定性，从而为矿井的正常生产提供保障，还可以节约大量的支护材料费用。

新桥煤矿2203胶带顺槽为沿空巷道，2203工作面下相邻的2201工作面已开采完毕。

1 沿空掘巷预留煤柱合理宽度的确定

为大致确定煤柱的合理宽度，在煤柱中部沿煤壁向内设置监测线，如图1所示，按埋深550 m估算，该处垂直原岩应力约14～15 MPa左右，水平原岩应力8～9 MPa左右，相邻工作面开采结束后，煤柱内垂直应力集中区分布大致为：0～6 m范围为应力增高区，7～14 m范围为峰值应力区，煤柱内垂直应力峰值位置距煤壁距离约1 2 m左右，应力峰值近25 MPa，垂直应力集中系数达到1.9，15～20 m为应力降低区，16 m以后应力明显较低，21 m以后应力水平接近原岩应力。水平应力分布状况近煤壁处变化剧烈，且整体水平应力相对较小，约20 m后恢复到原岩应力，如图2所示，这种应力状态与煤层倾角和采空区位置有关。

结合煤柱内部监测线应力分布状况，煤柱的合理宽度应该在3～5 m。现分别研究煤柱宽度为2.5 m、3.5 m、4.5 m、5.5 m时沿空巷道围岩稳定性及应力分布状况。计算机模拟上述煤柱宽度下的巷道围岩应力分布和位移场，如图3～4。

由图4可以看出，高应力区距巷道都比较远，且此类型巷道的应力集中区主要分布在巷道左上角和右下角，方案设计时应给予考虑。当煤柱宽度为2.5 m时，巷道围岩应力集中，巷道整体变形十分严重，煤柱相当不稳定，不利于支护和安全生产。而煤柱宽度为3.5 m、4.5 m和5.5 m时，巷道应力较小，巷道变形不明显，且变形量相差不多，煤柱完整性好，利于支护和安全生产。

综上所述，考虑经济合理性和较高的采出率两个因素，确定煤柱宽度为3～4 m。

2 沿空掘巷支护方案的优化设计

选择两种支护方案，然后通过数值模拟，比较回采期间不同支护方案效果。

方案一（基本设计）。

（1）巷道顶板采用5根高强树脂锚杆加3.8 m长M4型钢带、菱形金属网联合支护，锚杆规格为Φ20×2200 mm，每根锚杆采用两节ZK2335型树脂药卷加长锚固；锚杆间距850 mm，排距800 mm。锚杆预紧力不小于50 kN，锚固力不小于120 kN。

（2）巷道高帮采用5根高强树脂锚杆加1.8 m长M4型钢带、菱形金属网联合支护，锚杆规格为Φ18×2000 mm。每根锚杆采用两节ZK2550型树脂药卷加长锚固；锚杆间距为800 mm，排距均为800 mm。锚杆预紧力不小于50 kN，锚固力不小于100 kN。

（3）巷道低帮采用3根高强树脂锚杆加1.8 m长M4型钢带、钢筋网联合支护，锚杆规格为Φ18×2400 mm，每根锚杆采托盘，在用两节ZK2550型树脂药卷加长锚固；锚杆间距750 mm，排距800 mm。锚杆预紧力不小于50 kN，锚固力不小于100 kN。

（4）顶板锚索按隔一行的五花布置，钢绞线规格为Φ17.8×6.3 m，锚索托盘采用与M4型钢带配套的M型，在托盘与索具间加一平垫板。每孔采用四节ZK23350树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果。锚索预紧力不低于80 kN，锚固力不低于150 kN。

（5）每两排钢带中间位置布置一套高预应力纵向桁架系统，钢绞线规格为Φ17.8×6.3 m，槽钢梁规格为14#、长2.2 m、两眼孔距1.6 m，桁架两根钢绞线分别穿过槽钢梁两头的眼孔，槽钢梁下眼孔距底板300 mm，槽钢梁平行帮部钢带铺设，分别向顶带45°、底30°角施工于巷帮围岩中，上眼深4.5 m，下眼深3.0 m，钢绞线外露部分通过专用锁具张拉固定于帮部槽钢梁。桁架钢绞线每孔采用四支ZK2550树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果；桁架排距为1.6 m，预紧力不低于80 kN，锚固力不低于120 kN。帮部桁架距迎头不大于10 m安装。

方案二（除去桁架和帮部钢带）。

（1）巷道顶板采用5根高强树脂锚杆加3.5 m长M4型钢带、菱形金属网联合支护，锚杆规格为Φ20×2200 mm，每根锚杆采用两节ZK2550型树脂药卷加长锚固；锚杆间距700 mm，排距800 mm。锚杆预紧力不小于50 kN，锚固力不小于200 kN。

（2）巷道高帮采用5根高强树脂锚杆，菱形金属网联合支护，锚杆规格为Φ18×2000 mm。每根锚杆采用两节ZK2550型树脂药卷加长锚固；锚杆间距为700 mm，排距均为800 mm。锚杆预紧力不小于50 kN，锚固力不小于200 kN。

（3）巷道低帮采用3根高强树脂锚杆，钢筋网联合支护，锚杆规格为Φ20×2400 mm，每根锚杆采用两节ZK2550型树脂药卷加长锚固；锚杆间距700 mm，排距800 mm。锚杆预紧力不小于50 kN，锚固力不小于200 kN。

（4）顶板锚索每两行一根，钢绞线规格为Φ17.8×6.3 m，锚索托盘采用400×200×10 mm大铁托盘。每孔采用四节ZK2550树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果。锚索预紧力不低于80 kN，锚固力不低于250 kN。

当留巷煤柱宽度为3.5 m时，对上述2种支护方案进行模拟，得出掘进期间巷道围岩水平应力分布、垂直应力分布和位移场分布如图5～7。

从图7中分析可以得出以下结论：（1）回采期间，两种种支护方案下的巷道围岩水平应力在28～33 MPa左右，垂直应力在55～60 MPa左右，应力显著增加，应力主要集中在巷道左上角和右下角。（2）回采期间，方案一支护下的巷道围岩变形量较小，方案二由于又去掉了帮部钢带，两帮位移量明显增加，进一步影响巷道的顶、底，使顶、底位移量增加。（3）综合上面两条结论可以认为，回采期间由于围岩应力的急剧增加，由方案二支护的巷道变形量已经影响到安全生产，因此建议采用方案一设计进行支护。

3 结论

经过数值模拟分析和计算，并考虑经济合理性和回采率等实际因素，得到2203沿空掘巷合理的煤柱宽度为3～4 m，最后现场实际留设煤柱宽度为3.5 m。经过两种支护方案的数值模拟分析和计算，并考虑到与现场的差异，最后确定采用方案一进行本试验巷道的支护设计，即采用高强树脂锚杆、高预紧力锚索、M4型钢带加金属网联合控制巷道顶板；高强树脂锚杆、M4型钢带、双抗网与菱形金属网联合支护巷道两帮，沿空煤柱侧附加采用预应力桁架控制煤帮稳定与变形。