突出煤層綜采工作面小煤柱掘進技術

令狐建設

（陽泉煤業（集團）有限責任公司，山西 陽泉045000）

陽泉礦區位于沁水盆地西北隅，由于局部區域特殊的地質條件限制，采掘銜接布局發生變化，諸多礦井不可避免的面臨沿空掘巷這一現場問題[1-3]。工作面煤柱的危險性主要在于其高集中應力，該條件造成回采巷道穩定性較差、工作面壓力大等問題，甚至產生煤礦動力災害。如何提高沿空掘巷的安全性成為研究的熱點問題之一。沿空掘巷成為綜采工作面的主要開采手段之一。國內外學者針對沿空掘巷進行了大量研究，侯朝炯、馬振乾、王朋飛等[4-6]針對孤島工作面上覆巖層結構進行了分析，確定了影響孤島工作面回采巷道穩定性的關鍵因素，揭示了孤島工作面結構穩定性原理。張科學、李磊、張煒等[7-12]通過對基本頂巖層垮落特征、直接頂和煤體變形特點及采空側支承壓力分布規律等進行研究，提出了沿空掘巷回采巷道及煤柱尺寸的合理位置確定方法。上述研究成果為礦井安全高效開采提供了技術支撐。寺家莊礦是陽泉礦區典型的煤與瓦斯突出礦井，主采的15#煤層具有高地應力、高瓦斯含量、低透氣性的特征，現面臨沿空掘巷難題。基于寺家莊礦15106 綜采工作面地質條件，采用理論計算方法確定工作面上覆巖層結構，計算得出煤柱尺寸理論值；建立數值模型，模擬分析工作面應力分布特征，確定工作面卸壓區范圍，結合理論計算結果，確定現場監測方案；依據現場監測數據，優化綜采工作面沿空掘巷煤柱尺寸。

1 工作面概況

寺家莊礦屬陽泉煤業（集團）有限責任公司的主力生產礦井，礦井年生產能力為5.00 Mt，服務年限為79.2 年。主采15#煤層為煤與瓦斯突出煤層，煤層透氣性系數0.175 m2/（MPa2·d），最大原始煤層瓦斯含量24.62 m3/t。

15106 工作面煤層的最大厚度為6.89 m，最小厚度為3.92 m，平均厚度為5.35 m，15106 工作面巖層賦存總體平較緩，局部有波狀起伏，15106 工作面最大傾角為12°，最小傾角為1°，平均傾角為6.5°，為近水平煤層。煤層直接頂為黑色泥巖，基本頂為粉砂巖，直接底為鋁質泥巖，基本底為石灰巖。原始煤層瓦斯含量為9.0～12.0 m3/t。15106 工作面沿走向布置，長度1 543 m，寬度286 m，兩側為已采空的15104 工作面及15108 工作面。

2 沿空掘巷煤柱尺寸優化理論

2.1 工作面煤柱覆巖結構特征及應力分布

回采工作面可視為1 個寬度較大的煤柱，兩側工作面回采后，在工作面煤體上方基本頂將形成一定的塊體結構。該結構由頂板穩定塊體A、鉸接塊體B、斷裂垮落的塊體C 組成，其中鉸接塊體B 對于其下方回采巷道布置起著關鍵性作用[13]。

鄰近工作面回采后，基本頂破斷，鉸接塊體B與穩定塊體A 相連，塊體A 受回轉力矩作用產生下沉，塊體A 與塊體B 處于不穩定狀態，導致煤柱工作面靠近采空區側形成高支撐應力狀態，其造成的影響遠大于掘進巷道期間的應力重新分布。在兩側靠近采空區的支撐應力影響下，回采工作面的應力分布劃分為卸壓區、應力集中區及原巖應力區。將回采巷道布置在關鍵塊B 下方的卸壓區即可降低回采巷道圍巖應力，起到卸壓掘進的效果。

2.2 沿空掘巷煤柱尺寸優化理論

根據內外應力場理論[14-15]，支承應力場將分為2個部分：S1“內應力場”、S2“外應力場”，內外應力場分布特征示意圖如圖1。內應力場的支承壓力來自于基本頂，其分布特征由基本頂的自重及運動特征決定；外應力場的支承壓力來自于上覆巖層的總體自重，其分布和大小取決于開采深度、煤巖強度和邊界條件。

圖1 內外應力場分布特征示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal and external stress field distribution characteristics

沿空掘巷煤柱尺寸確定的基本原則是將巷道布置在內應力場（卸壓區）中，“內應力場”力學模型如圖2，圖中σx為側向應力，σy為垂向應力，h 為煤層厚度，S1為基本頂巖梁斷裂時的長度，x 為煤體內任意點距巷幫的水平距離，Gx為煤體剛度、yx為煤體壓縮量，G0為靠近頂板斷裂線處的煤體剛度，y0為煤壁處的煤體壓縮量。

圖2 內應力場力學模型Fig.2 Internal stress field mechanics model

分布在內應力場（S1）范圍中的支承壓力F 為：

根據“內外應力場理論”，工作面內應力場分布的垂直支承壓力等于工作面初次來壓臨界點處基本頂巖梁的質量，則：

S1可表示為：

式中：S1為基本頂巖梁斷裂時的長度，m；L 為工作面長度，m；C0為工作面初次來壓步距，m；Mi為基本頂巖梁厚度，m；ρ 為基本頂巖層平均密度，t/m3；G0為煤體剛度，GPa；y0為煤體的壓縮量，m。

3 沿空掘巷煤柱尺寸

3.1 理論分析確定沿空掘巷煤柱尺寸

寺家莊礦15106 工作面長L 為240 m，應用關鍵層理論計算可得工作面初次來壓步距C0為38 m（即關鍵塊體B 側向長度），基本頂巖梁厚度為4.6 m，基本頂平均密度為2.65 t/m3，煤體剛度為1.0 GPa，煤壁處工作面煤體壓縮率為0.7 m，可計算得到“內應力場”范圍S1約為10.5 m，即卸壓區寬度約為10.5 m。考慮現場地質開采條件，巷道設計寬度約4.8 m，為保證通風安全，沿空掘巷煤柱尺寸為4～6 m。

3.2 應力分布模擬確定沿空掘巷煤柱尺寸

3.2.1 數值模型

以寺家莊礦15106 工作面的煤層地質條件為背景建立FLAC3D模型。模型長800 m，寬800 m，高160 m，共計2 293 104 個單元和2 608 050 個節點，15106 工作面數值模型如圖3。

圖3 15106 工作面數值模型Fig.3 Simulation model of 15106 face

模型載荷條件：模型上部邊界為11.75 MPa 的載荷，按深度470 m、密度2.5 t/m3確定垂直應力。模型邊界條件：左右為單約束邊界，下部為全約束邊界。模型采用摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則，煤巖物理力學參數見表1。

表1 煤巖物理力學參數Table 1 Coal and rock physical and mechanical parameters

3.2.2 工作面應力分布特征

按照現場實際開采順序，先開采15104 工作面，再開采15108 工作面，使15106 工作面形成孤島區域。工作面煤體垂直應力分布曲線如圖4。

圖4 15106 工作面垂直應力分布曲線Fig.4 Vertical stress distribution curve of 15106 isolated island face

1）鄰近工作面回采完成后，工作面兩側形成的卸壓區和應力集中區的寬度不會產生相互疊加，15106 工作面距采空區約45～205 m 區域為原巖應力區。

2）工作面內沿寬度方向的垂直應力呈“馬鞍形”分布。應力峰值位置距采空區邊界15～20 m，峰值約27.4 MPa，應力集中系數約2.6。

3）工作面兩側卸壓區約為9～12 m，數值模擬分析結果與理論計算結果基本一致。通過模擬分析進一步確定沿空掘巷煤柱優化尺寸。

3.2.3 沿空掘巷煤柱尺寸分析

根據理論分析結果，設計分析方案共4 個，留設煤柱寬度分別為4、5、6、7 m。對比分析不同寬度時煤柱的穩定性并確定沿空掘巷煤柱寬度。不同煤柱寬度垂直應力分布云圖如圖5。

煤柱寬度4 m 時，垂直應力峰值5.85 MPa，應力集中系數0.56；煤柱寬度5 m 時，垂直應力峰值8.76 MPa，應力集中系數0.83；煤柱寬度6 m 時，垂直應力峰值10.34 MPa，應力集中系數0.98；煤柱寬度7 m 時，垂直應力峰值15.79 MPa，應力集中系數1.50。為更加直觀分析不同煤柱寬度的垂直應力分布情況，采用Fish 語言提出煤柱垂直應力數據，不同煤柱尺寸垂直應力分布曲線如圖6。

分析可知，煤柱寬度4～6 m 時，煤柱垂直應力逐漸升高，但均低于原巖應力，應力波動幅度較小；煤柱寬度7 m 時，垂直應力顯著升高，垂直應力峰值達到原巖應力1.5 倍。說明煤柱尺寸6 m 為臨界狀態，當煤柱寬度繼續增大，則無法進行沿空掘巷。

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3.3 應力分布現場測試確定沿空掘巷煤柱尺寸

3.3.1 煤柱應力監測方案

為驗證理論計算與數值模擬結果，在寺家莊礦15106 同采區的15116 工作面進行煤柱應力分布特征測試。15116 工作面進風巷與15118 工作面采空區之間留有20 m 煤柱，在工作面前方200 m 以外的煤柱側布置監測斷面，每組斷面間隔50 m，共布置3 組；每組包含5 個鉆孔應力計，其鉆孔深度分別為2、4、6、8、10 m。鉆孔監測方案平面布置如圖7。

圖7 監測斷面布置示意圖Fig.7 Monitoring sectional schematic arrangement

3.3.2 煤柱應力分布特征測試結果

隨著工作面的不斷推進，繪制3 組監測斷面同一深度測點的平均值與其相對工作面位置關系曲線如圖8。

在工作面前方的煤柱均引起了超前支承壓力的存在，并且超前支承應力極值點都出現在工作面前方約14 m。2、4、6、8、10 m 測點由采動引起的超前支承壓力應力集中系數分別為：1.10、1.12、1.18、1.29、1.57，隨著測點深度的增加，煤柱應力呈上升趨勢，當測點深度為2～6 m 時，煤柱應力上升趨勢較慢，當測點深度為8 m 時，煤柱應力急劇上升。可知，超前支承應力的臨界值出現在煤柱內6 m 左右。

圖8 不同深度測點應力變化值曲線Fig.8 Stress change curves of different depth points

3.4 沿空掘巷安全性分析及煤柱尺寸

3.4.1 煤與瓦斯突出危險性

消除寺家莊礦綜采工作面小煤柱掘進過程中的煤與瓦斯突出危險性是保證安全生產的關鍵，為分析巷道掘進的突出危險性，采用瓦斯含量指標，分析與采空區不同距離處突出危險性的大小，利用施工的瓦斯抽采鉆孔，對距采空區距離分別為20.8、23.8、29.8 m 處進行了瓦斯含量測試，距采空區不同距離處瓦斯含量變化曲線如圖9。

圖9 距采空區不同距離處瓦斯含量變化曲線Fig.9 Variation curves of gas content at different distances from the goaf

巷道未開挖時，工作面煤體側向的卸壓消突范圍≥15 m，巷道按照留設7 m 煤柱尺寸開挖后，工作面側向煤體的卸壓范圍往工作面深部轉移，工作面側向煤體的卸壓消突范圍會增加到23.8 m（7+4.8+12）；若按照理論計算結果煤柱留設尺寸4 m 來開挖，工作面側向煤體的卸壓消突范圍為15～23.8 m，15106 工作面回風巷兩幫的卸壓范圍為6.2～15 m，單純靠巷道的卸壓不足以滿足巷道兩幫15 m 范圍內無突出危險的要求，因此還需要采取一定的補充瓦斯抽采措施將6.2～15 m 范圍內瓦斯含量降低到8 m3/t 以下，以保證掘進過程中的安全。

3.4.2 巷道布置安全性

3.4.3 沿空掘巷煤柱尺寸

基于沿空掘巷煤柱尺寸優化理論，15106 工作面沿空掘巷煤柱尺寸為4～6 m；15106 工作面應力分布數值模擬結果表明，煤柱尺寸6 m 為臨界狀態；15116 工作面煤柱應力分布特征測試結果表明，側向超前支承應力的臨界值出現在煤柱內6 m 左右；從煤與瓦斯突出危險性方面分析，工作面側向煤體的卸壓消突范圍為15～23.8 m；巷道布置安全性分析表明，由于采空區遺留鉆場的影響，需考慮適當增大煤柱尺寸。

綜上，寺家莊礦15106 工作面采用7 m 寬小煤柱進行沿空掘巷是可行的，能夠提高工作面開采的安全性，寺家莊礦15106 工作面設計如圖10。

圖10 15106 工作面采掘工程平面圖Fig.10 Mining plan of 15106 working face

4 綜采工作面小煤柱掘進現場實踐

4.1 小煤柱掘進巷道圍巖變形對比

分別在15106 小煤柱掘進工作面和15116 普通工作面回風巷道布置2 個巷道圍巖位移測點，分析15106 工作面進行小煤柱掘進的效果。小煤柱掘進前后巷道圍巖變形監測曲線如圖11。

圖11 小煤柱掘進前后巷道圍巖變形監測曲線Fig.11 Surrounding rock deformation monitoring curves of roadway before and after pressure relief mining

1）巷道圍巖變形主要發生在回采期間工作面超前40 m 范圍內，采用沿空掘巷前，頂底板最大移近量約564 mm，兩幫最大移近量約316 mm。

2）采用7 m 小煤柱沿空掘巷后，頂底板最大移近量約為324 mm，兩幫最大移近量約為224 mm；巷道頂底板移近量及兩幫移近量較未采用沿空掘巷前分別降低了42%、29%，巷道斷面能夠符合采掘生產要求。

綜上所述，現場實測數據驗證了理論計算與數值分析結果，寺家莊礦15106 工作面采用寬度7 m的煤柱進行沿空掘巷有利于回采巷道的穩定性。

4.2 小煤柱掘進效率及安全性

實施小煤柱沿空掘巷前掘進工作面每月平均進尺84.2 m，實施后15106 工作面進回風巷道平均月進尺103.8 m，月進尺提高了23.3%；月進尺最高達127.8 m，平均月進尺94 m，是普通工作面平均月進尺的2.35 倍。掘進期間瓦斯濃度觀測結果表明：15106 工作面進回風巷道迎頭瓦斯最大0.25%，平均0.04%，掘進回風瓦斯最大0.35%，平均0.15%，平均瓦斯涌出量為0.87～1.12 m3/min。掘進期間，消突鉆孔數量減少約2/3，可以保證安全生產。

5 結 論

1）揭示了綜采工作面上覆巖層結構特征，確定沿空掘巷巷道應布置在關鍵塊體B 下方，應用內外應力場理論、關鍵層理論，得到了回采工作面卸壓區寬度的計算方法。

2）基于沿空掘巷煤柱尺寸優化理論，分別對煤柱應力分布特征進行數值模擬及現場測試，結合煤與瓦斯突出危險性分析及巷道布置安全性分析，確定寺家莊礦15106 工作面進行沿空掘巷的煤柱尺寸為7 m。

3）寺家莊礦15106 工作面小煤柱掘進現場實踐表明，頂底板最大移近量約324 mm，兩幫最大移近量約224 mm，巷道頂底板移近量及兩幫移近量較未采用沿空掘巷前分別降低了42%、29%；防突鉆孔工程量減少約2/3，15106 工作面進回風巷月平均進尺提高至原始煤體中月平均進尺的2.35 倍。