倾斜煤层煤柱合理留设宽度及支护研究

褚永红

（山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司， 山西 临汾 041204）

引言

煤炭资源是我国主要的能源形式，随着开采年限的不断增加，缓倾斜煤层储量大幅度降低，目前我国开采的重点逐步向着倾斜煤层转移。在进行倾斜煤层开采过程中，由于煤层倾角较大，造成巷道围岩应力分布较为复杂，围岩的破坏程度较大，所以安全高效开采大倾角煤层十分重要。现阶段为了保证巷道稳定性，通常增设护巷煤柱，以此保证巷道稳定性，但随着开采深度的不断加大，煤柱的宽度逐步增加，严重降低了矿井采出率，所以煤柱合理留设宽度也是倾斜煤层安全开采的重要前提。本文利用数值模拟软件对倾斜煤层合理留设宽度进行研究，为矿井安全高效开采提供一定的参考及借鉴。

1 某矿3103 工作面介绍及模型建立

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煤层中，上覆煤层4 号已经开采完毕，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。

对大倾角煤层煤柱留设合理宽度进行数值模拟研究，大倾角巷道的断面形式一般有梯形、拱形、矩形、多边形等，考虑到实际的地质情况后对不同断面形式下的巷道稳定性进行分析，分别对沿顶煤矩形断面、沿顶煤弧形断面、沿顶煤多边形断面、煤层中位矩形断面和沿底板矩形形断面进行模拟研究，首先进行模拟模型的建立，模型的长宽高分别为170 m×60 m×172 m，对模型的网格进行划分，在模型网格划分时，需要考虑模拟计算时间及云图精确性，所以本文对巷道近端进行细化分，在模型的远端进行粗划分，在保证精度的前提下确保电脑计算运行时间最短。完成网格划分后对模型的边界进行约束设置，在模型的下、左右、前后分别设定固定约束，避免模型整体出现位移，在模型的顶端施加覆岩自重，经过计算施加自重4 MPa，模型采用摩尔-库伦屈服准则。完成模型设定后对模型进行计算[1-2]。

2 数值模拟计算

分别对大倾角巷道的五种断面形式进行模拟分析，由于版面问题，本文仅展示沿顶煤矩形断面模拟云图如图1 所示。

从图1 可以看出，沿顶煤掘进弧形巷道整体应力分布较为均匀，顶板的垂直应力分布较为连续，在模型的弱面位置应力隔离较为明显，在沿着顶煤掘进过程中，顶板受到采掘影响较小，侧向支撑压力影响区域较大，巷道的应力集中系数2.2，整体应力较为可控，沿顶煤掘进矩形巷道较为合理。观察沿顶煤掘进弧形巷道围岩变形云图，整体围岩变形从小到大分别为煤柱煤帮位移量、实体煤帮位移量、底鼓量、顶板下沉量，整体应变分布较为均匀，复合顶板下沉量为271 mm，底鼓量变形量为390 mm，实体煤帮位移为275 mm，煤柱帮位移量为178 mm，整体属于五种矩形断面布置下位移量综合最为合理的情况，所以本文选定沿顶煤弧形断面巷道布置形式。

确定了巷道的断面形式后，对巷道的合理留设宽度进行分析，影响巷道煤柱留设宽度的主要因素有煤层倾角、巷道埋深等，对不同煤柱宽度下煤柱内部应力分布情况进行分析，不同煤柱宽度下煤柱内部垂直应力分布曲线如图2 所示。

图2 不同煤柱宽度下煤柱内部垂直应力分布曲线

从图2 中可以看出，不同煤柱宽度下煤柱内部垂直应力分布呈现相同的趋势，均为先增大后减小，在煤柱左帮位置的垂直应力增长趋势大于右帮，不同煤柱宽度下煤柱的应力峰值出现的位置均在煤柱的中间部位。随着煤柱宽度的增大，巷道煤柱的垂直应力值呈现逐步增大的趋势，当煤柱宽度为3 m 时，此时煤柱内部垂直应力峰值在距离采空区1.8 m 的位置出现最大值，最大值为3.9 MPa。当煤柱宽度增大至8 m 时，此时的巷道垂直应力最大值出现的位置在距离采空区3 m 的位置，垂直应力最大值为13.8 MPa。对比可以看出，当煤柱宽度小于4 m 时，此时的煤柱内部应力峰值明显小于原岩应力值，此时的煤柱承载能力较低，当煤柱宽度增大至5 m 时，此时的煤柱内部稳定区距离煤帮较远，对于锚杆的锚固较为困难，当煤柱宽度大于6 m 时，此时的煤柱内部应力峰值明显大于巷道的原岩应力，此时稳定区域逐步向着巷道煤帮位置转移，此时对巷道锚杆支护较为有利，可以看出，合理的煤柱留设宽度应当大于6 m。

对不同煤柱宽度下巷道的水平应力分布情况进行分析，选定煤柱宽度为3～8 m，在煤柱内部布设一条位移监测线，不同煤柱宽度下煤柱位移分布曲线如图3 所示。

从图3 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。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。

图3 不同煤柱宽度下煤柱位移分布

在煤柱留设宽度6 m 下的支护方案，顶板支护：杆体为直径22 mm 螺纹钢锚杆，屈服强度不低于400 MPa，长度2400 mm，杆尾螺纹为M24。采用树脂加长锚固，采用2 支CK2340 树脂锚固剂，钻头直径30 mm，钻孔直径为31 mm，锚固长度887 mm。同时采用高强锚杆螺母M24，托板采用方形带拱托板，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，配套调心球垫和减摩垫圈。锚杆间距900 mm，每排6 根锚杆，排距1000 mm；锚杆预紧扭矩不低于300 N·m，设计锚固力不低于150 kN。

两帮支护杆体为直径20 mm，玻璃钢锚杆长度2200 mm，抗拉强度大于等于300 MPa。锚杆间排距为1000 mm、1000 mm，距顶300 mm，巷帮角锚杆与巷道顶板成75°夹角，其他垂直巷道壁，每排4 根。锚固方式：树脂加长锚固，钻头直径30 mm，采用一支规格为CK2360 树脂锚固剂。锚杆锚固力不小于70 kN，预紧扭矩不得小于40 N·m[3-4]。

煤柱帮：锚杆杆体为直径22 mm 左旋螺纹钢锚杆，屈服强度不低于400 MPa，长度2400 mm。锚杆间排距为1000 mm、1000 mm，每排4 根，距顶300 mm，与巷道顶板成65°夹角，其余均与煤壁垂直。具体支护断面如下页图4 所示。

图4 巷道支护断面图（单位：mm）

3 结论

1）分别对沿顶煤矩形断面、沿顶煤弧形断面、沿顶煤多边形断面、煤层中位矩形断面和沿底板矩形形断面进行模拟研究，确定最佳断面形式为沿顶煤弧形断面。

2）不同煤柱宽度下煤柱内部垂直应力分布呈现相同的趋势，均为先增大后减小，在煤柱左帮位置的垂直应力增长趋势大于右帮，最佳煤柱宽度为6 m。

3）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，且煤柱左帮变形量明显大于右帮变形量。