復合災害綜放工作面窄煤柱沿空掘巷安全技術應用

雒 軍 莉

（兗礦新疆礦業有限公司硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 郵編831100）

1 概 況

硫磺溝煤礦主采4-5 號煤層和9-15 號煤層。4-5 號煤層平均厚度為6.73m，9-15 號煤層厚度28.01～38.83m，平均厚度32.94m，是井田唯一特厚煤層，兩層煤的層間距28.23m。（4-5）06 工作面位于（4-5）04 工作面北部，西部距井田邊界20m，東部為副斜井保護煤柱，北部為未采動的實體煤,工作面軌道順槽標高+698.3m～+617.3m，最大埋深568m，最小埋深432m。

2 詳細實施內容

2.1 沿空掘巷窄煤柱研究的基礎條件

1）現（4-5）06 工作面，軌道順槽最大埋深557m，最小埋深435m。（4-5）06 工作面皮帶順槽最大埋深662.5m，最小埋深486.1m。

2）該區域地層主體構造為向北西傾的單斜構造，地質構造簡單。巷道掘進過程中可能會受到FD5(∠55 ～60°，H=0 ～7m)、FD6 (∠50 ～55°，H=0 ～10m)逆斷層影響，兩條斷層為可靠斷層，落差較大。（4-5）04 工作面皮帶順槽掘進時揭露5 條逆斷層，預計（4-5）06 工作面軌道順槽掘進過程中可能揭露這5條逆斷層，最大落差為3.0m。

3）老頂為砂質泥巖，厚9.8～11.3m，黑灰色，泥質膠結，局部含砂質，塊狀；直接頂為粉砂巖，厚5.8～6.4m，灰白色，單斜層理，泥質膠結，以長石為主。直接底為細砂巖，厚1.03～8.06m，灰色、深灰色，薄層狀，微波狀層理，水平層理，夾粉砂巖薄層，硬度較大，局部含泥巖。

5）硫磺溝煤礦+777～+665m 水平的地應力場目前仍以垂直應力為主，屬于垂直應力場類型；最大水平主應力已跟垂直應力接近，硫磺溝煤礦最大水平主應力方位角集中在34.5～90.6°之間，與工作面順槽軸向夾角均小于35°。

2.2 沿空掘巷窄煤柱合理尺寸分析

1）4-5 煤層上覆巖層結構。

沿空順槽的穩定性取決于上覆巖層能夠形成穩定的懸臂梁結構，即上覆巖層有一較厚的巖層形成梁（拱）結構承擔其上巖層的應力，使沿空巷道位置僅承受結構下方較為松散又經加固巖層的重量，屬于給定載荷狀態。

（4-5）06 煤平均厚度為6.52m，按冒落帶高度是3-5 倍采高計算，4-5 煤層頂板的粉砂巖和砂質泥巖都破壞冒落（圖1），再其上巖層的狀態暫不分析（找不到相關資料）。一般來說，形成梁（拱）結構的條件較為簡單，不會成為影響小煤柱尺寸選擇的主要因素。

圖1 4-5 煤層開采后頂板冒落狀態

2）4-5 煤層開采后采空區側向支承壓力分布規律。

4-5 煤層開采后采空區側向支承壓力分布可通過現場實測（應力計或次生應力測量得到），或都通過工作面礦壓觀測結果得到（目前無具體數據）。

以下僅根據目前可用資料進行分析，在保留沿空煤柱為7m 的條件下，（4-5）06 工作面軌順內幫施工大直徑卸壓鉆孔深度為6-8m 后難已鉆進，且目前軌順內幫掘進后部分地段變形較大，可以推斷距內幫6-8m 是高應力區（以下按8m 分析）。支承壓力峰值區位置是變化的，主要是由于上覆巖層的不均衡破斷引起的。按此推算，可以確定（4-5）04 工作面開采后，向下方側向支承壓力峰值距采空區邊緣為18.6m（此數據量取時區段煤柱為6.3m），這個數據與常規礦壓認識相符，即符合開采深度、煤層開采厚度、頂板條件等因素。

圖2 （4-5）04 工作面采動影響下的應力計算圖

按此處巷道埋深500m 計算，側向支承壓力峰值取1.8，峰值區的應力值約為22.5MPa（圖2），由此做出當煤柱尺寸為7m 時，（4-5）06 工作面軌順煤層上方支承壓力分布曲線（圖中實線），并進一步做出（4-5）06 工作面軌順未掘出時的支承壓力曲線（圖中部分為虛線）。比較煤柱尺寸為4m 與7m 時，（4-5）06 工作面軌順未掘進時內幫的應力差，經做圖計算兩者數值相差3MPa，相當于埋深減小120m，所以當小煤柱尺寸取4m 時，可以確定（4-5）06 工作面軌順內幫的應力值將大大降低，不僅巷道易于維護，也將大大降低應力集中帶來的沖擊地壓危險，尤其是工作面回采期間工作面前方軌順內幫穩定性大為提高。

3）（4-5）04 工作面皮順與（4-5）06 工作面軌順空間位置及相互作用分析。

由于煤層傾角的關系，（4-5）04 工作面皮順與（4-5）06 工作面軌順在高度上相差較大，當兩巷道間煤柱尺寸為4m 時，兩巷道在高度上的凈煤柱仍有2.3m（圖3）。

圖3 （4-5）06 工作面軌順留4m 護巷煤柱時的巷道位置圖

在以上的空間位置關系中，（4-5）04 工作面皮順相當于（4-5）06 工作面軌順的卸壓硐，可有效降低（4-5）06 工作面軌順所受的應力值。

兩巷間留4m 煤柱不利之處在于（4-5）06 工作面軌順左側上方煤體的完整性遭到破壞，并可能受到積水浸泡的影響，給支護帶來一定難度，要注意提高（4-5）06 工作面軌順左側上方的支護質量。另外，（4-5）04 工作面采空區的積水要進行嚴格控制。

3 實際應用效果及推廣情況

通過采用理論研究和現場應用相結合的方式，形成了綜放工作面窄煤柱沿空掘巷安全保障技術體系。解決了大傾角高瓦斯易自燃煤層沿空掘巷圍巖變形大、瓦斯涌出量大、鄰近采空區煤自燃形式嚴峻等為題，實現了窄煤柱護巷，大幅度降低了煤炭資源的浪費。本項目的研究成果可有效提高我國大傾角高瓦斯易自燃煤層沿空掘巷條件下開采的安全高效性，對于保障礦井安全高效生產推進我國高產高效現代化礦井建設具有重要的參考借鑒和推廣價值以及重大的經濟效益和社會效益。

該技術成果是在硫磺溝煤礦（4-5）06 掘進工作面進行技術方案的應用。2017 年9 月至2018 年9 月期間（4-5）06 軌道順槽掘進工作面安全高效，掘進1850m，相鄰采空區煤柱寬度由原來的40m 減小到4m，累計節約煤炭資源量53.24 萬t，具有良好的發展應用前景和經濟技術優勢。

4 經濟效益

現場實施以來（4-5）06 軌道順槽掘進工作面安全高效掘進1850m，相鄰采空區煤柱寬度由原來的40m 減小到4m，節約了大量煤炭資源。按煤炭時價180 元/t，噸煤成本100 元/t，則應用該項目成果所產生的經濟效益為：

節約煤炭資源量= （40-4）×6.15×1850×1.3/10000=53.24 萬t

新增產值=51.76 萬t×180 元/t=9316.8 萬元

5 結 論

硫磺溝煤礦（4-5）06 工作面窄煤柱沿空掘巷技術現場應用，不僅有效提高了礦井資源回收率，大大增加了礦井的經濟效益，而且改善了相鄰采空側巷道的受力狀況，解決了采空區側巷道由于礦壓顯現明顯而嚴重制約掘進施工安全和生產效率的問題，解決了礦井相鄰采空區側巷道治理困難、無法有效支護的難題，同時對下一步開展窄煤柱穩定性研究和推廣應用具有重要的指導意義。