特厚煤層綜放工作面小煤柱留設技術研究

劉智敏

（晉能控股煤業集團 挖金灣煤業公司，山西 大同 037042）

留設煤柱護巷的方式分為寬煤柱方式、窄煤柱方式、無煤柱方式，不同方式各有利弊。吳紹倩教授通過分析研究沿空煤柱礦壓規律，曾提出過無煤柱開采方式；劉洋、李慶忠等在分析煤柱破壞規律的基礎上，查明了窄煤柱的變形破壞機理，提出了特厚煤層綜放工作面小煤柱留設技術理論。

1 概況

1.1 地質賦存情況

挖金灣礦8102 工作面位于山4 號一盤區，該盤區北部與西延盤區主運輸、輔助運輸、南回風巷相鄰，東部與南翼回風巷、南翼主運巷相接，西南部尚未開拓，走向長度1464.8 m，傾斜長230.2 m，面積337196.9 m2，煤層厚度在3.47 m 左右，均含3 層夾石（0.08 ～0.23 m），煤層計算厚度3.07 m，煤厚變化穩定。煤層頂底板巖石類型、厚度以及普氏硬度情況見表1。

表1 煤層頂底板情況Table 1 Roof and floor situation of the coal seam

1.2 采礦方法

根據煤層賦存特征、厚度、巷道布置方式及以往開采經驗，該工作面選用單一傾向長壁后退式大采高綜合機械化開采的采煤方法。該工作面采用MG900/2360—WD 型雙滾筒采煤機割煤，SGZ1000/3×855 型刮板輸送機運煤，ZY12000/24/48D 型液壓支架、ZYG12000/24/48DH 型過渡支架和ZYT12000/24/48 型端頭支架管理頂板。該面煤厚變化穩定，采用見頂見底方法開采（采煤過程中遇到頂底板松軟、破碎帶、大的地質構造、冒頂區等需改變采煤工藝時，另行制定專項安全技術措施）。

2 煤柱留設問題的提出

綜放工作面沿空掘巷后的應力分布和破壞機理如圖1 所示，通過分析表明沿空巷掘進后應力重新分布，尤其是特厚煤層回采后冒落矸石未能全部充填采空區域，導致在煤體邊緣頂板彎曲下沉，并形成破碎區域。左邊工作面采放期間，由于煤柱兩側空區未填實導致支撐力較小，從而引發頂板的二次斷裂，該次斷裂變形量大、應力集中，增加了巷道支護難度。

圖1 沿空掘巷應力分布和破壞機理Fig.1 Stress distribution and failure mechanism of gob-side entry driving

挖金灣礦8102 工作面順槽掘進巷道尺寸為5.3 m×3.3 m，為保證巷道的整體穩固性，有效隔離防火區和采空區瓦斯的涌出，采用了寬煤柱留設方式，留設煤柱寬度45 m。該方式雖然起到了隔離防火區的效果，但工作面順槽巷道由于礦壓顯現導致變形、冒頂嚴重，甚至局部底鼓，影響著礦井的安全高效生產，且兩工作面保安煤柱較寬，資源浪費嚴重，煤柱損失高達20%左右。針對以上情況，為實現窄小煤柱沿空掘巷提供安全可靠、經濟合理、技術可行的方案，開展特厚煤層綜放工作面小煤柱留設技術研究。

3 沿空掘巷小煤柱寬度選擇方法

3.1 理論計算

煤柱合理寬度的確定如圖2 所示。小煤柱合理寬度B=x1+x2+x3，其中：x1為上區段煤體的屈服區寬度（計算公式見公式1）；x2為窄煤柱一側錨桿支護有效長度，取值2.5 m；x3為該區域的安全系數寬度，x3=0.15～0.35(x1+x2)。

圖2 煤柱合理寬度的確定Fig.2 Determination of reasonable width of coal pillar

根據極限平衡理論，得出x1的計算公式。

式中：x1為上區段煤體的屈服區寬度，m；M 為上水平巷道高度，3.5 m；Px為煤柱受到采空區的側向約束力，取0；α 為煤層傾角，取0；σyl為煤柱抗壓極限強度，19.891 MPa；β 為屈服區與核區側壓系數，β=μ/(1-μ)；μ 為泊松比0.32；φ0為煤體受到的摩擦角，28°；C0為煤層受到的粘聚力，2 MPa；γ0為巖層平均體積力，0.025 MPa；d 為擾動系數，考慮到實際開采擾動影響，取1.7。

將該工作面參數代入式（1），算得xl=3.55 m。根據已經算得的xl=3.55 m，x2=2.5 m，計算得出小煤柱合理寬度B=6.88～7.99 m。

由此可見，挖金灣礦8102 工作面合理的小煤柱寬度應為7～8 m。

3.2 工程類比

（1） 千秋礦21201 工作面，該工作面地面標高+580.13 m，井下標高-138.10 m，實際平均采深735 m。煤層平均厚度19.18 m，煤層平均傾角12°，普氏硬度系數f 值為1.5，區段煤柱留設6 m。

（2） 山能巨龍礦一采區工作面。一采區平均開采深度800 m，回采煤層厚9.03 m，普氏系數f=1.59，密度1.36 g/cm3，傾角2°～13°。煤柱寬度為5.0 m。

（3） 淮南謝橋礦1161（3） 工作面標高-640—-720 m，斜長205 m，煤層厚度5.53 m，普氏硬度系數f=0.7。回采期間煤柱留設寬度取值3～5 m。

礦井實際生產表明，該煤柱留設寬度能夠實現安全采礦。沿空巷掘進期間，巷道穩固、礦壓顯現不顯著，巷道無變形或者變形量較小，支護難度較小；煤層回采期間，礦壓稍有顯現，主要體現在超前支承壓力導致巷道有一定的形變量，采取補打錨桿、補打錨索方式即可實現沿空巷的穩定支護。

3.3 綜合考慮其它特殊因素

①8102 工作面通風巷，設計寬度5.0 m，開挖寬度5.4 m，需要預留較寬煤柱；②挖金灣礦考慮煤層自燃性、采空側瓦斯溢出等安全因素；③8202區段煤層厚度分布不均，局部達到2.6 m，比礦區平均厚度小。

3.4 小煤柱寬度的確定

綜合考慮以上理論計算（理論分析7～8 m）、工程類比（5～6 m） 以及其它因素的基礎上，確定小煤柱寬度為8 m。

4 應用實踐及礦壓檢測

4.1 應用實踐

挖金灣礦根據8102 工作面的賦存條件，選擇一個地點開挖2 條巷道進行對比試驗，其中1 條巷道預留煤柱尺寸為5 m，另一條巷道預留煤柱寬度為25 m，該地點模擬工作面長度180 m（x=[-90，90]），開挖長度200 m，煤柱寬度為5 m、25 m。煤層厚度15 m（y=[0，15]）。開挖巷道5 m×3.5 m。

4.2 礦壓檢測

（1） 工作面礦壓在線監測。中部、尾部均勻布置14 條測線（1 號、11 號、21 號、31 號、41號、51 號、61 號、71 號、81 號、91 號、101 號、111 號、121 號、131 號分別布置1 臺壓力分機），壓力分機的2 個接口分別接支架2 根立柱的下腔。

（2） 液壓支架礦壓監測。在未安裝自動監測系統的支架上安裝YHY60（A） 型光控數字壓力表，對支架前、后柱油缸下腔的壓力進行監控，在工作面呈“一”字型，用于檢測支架的工作阻力，輔助支架工升架。

支架儀表選型：液壓支架使用的儀表為YHY60（A），表量程為0 ～60 MPa，精度2 級，測量通道數2 點，壽命＞24 個月，同時可更換電池組；液壓支架型號為ZZ13000/25/50 型，支架承壓范圍為0～50 MPa，在儀表范圍內，同時壽命較長，適合煤業公司的液壓支架使用。

（3） 順槽礦壓監測。①在兩巷每50 m 頂板的正中至少安裝1 臺頂板離層儀，型號為LBY-3，每周進行1 次人工數據采集，并更新頂板離層儀牌板，出井后填寫臺賬；②每條順槽必須配備1 臺型號為YHY6D（D） 礦用本安型壓力計，放于兩順槽超前支護范圍內，通過對數據的觀測和分析，總結超前范圍內的壓力分布規律，驗證支護參數是否合理。

4.3 檢測效果評價

開挖沿空巷道以后的應力分布監測數據如圖3所示。根據監測數據表明：煤柱為5 m 時，對應的沿空巷道垂直應力也較小，煤柱寬度＜10 m，沿空巷道的應力集中較小，巷道處于低應力區；煤柱寬度為25 m 時，應力集中明顯增強，導致巷道所受到的應力較大。

圖3 沿空巷道開挖后垂直應力Fig.3 Vertical stress of gob-side entry after excavation

5 結語

通過對挖金灣礦煤層賦存條件進行分析，參考理論計算、工程類比以及其它因素的基礎上，確定了8102 沿空巷沿空側煤柱寬度為8 m。實踐表明，小煤柱留設技術相對于寬煤柱留設方式，具有改善沿空巷道應力集中的效果，使得巷道處于低應力區，避免了礦壓顯現導致的巷道變形、冒頂、底鼓問題，并且該技術實現資源的高效利用，降低了寬煤柱導致的資源損失，效果較好。