特厚煤層綜放工作面小煤柱留設(shè)技術(shù)研究

劉智敏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037042）

留設(shè)煤柱護(hù)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(guī)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(guī)律的基礎(chǔ)上，查明了窄煤柱的變形破壞機(jī)理，提出了特厚煤層綜放工作面小煤柱留設(shè)技術(shù)理論。

1 概況

1.1 地質(zhì)賦存情況

挖金灣礦8102 工作面位于山4 號一盤區(qū)，該盤區(qū)北部與西延盤區(qū)主運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸、南回風(fēng)巷相鄰，東部與南翼回風(fēng)巷、南翼主運(yùn)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(jì)算厚度3.07 m，煤厚變化穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r石類型、厚度以及普氏硬度情況見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor situation of the coal seam

1.2 采礦方法

根據(jù)煤層賦存特征、厚度、巷道布置方式及以往開采經(jīng)驗(yàn)，該工作面選用單一傾向長壁后退式大采高綜合機(jī)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(jī)割煤，SGZ1000/3×855 型刮板輸送機(jī)運(yùn)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(wěn)定，采用見頂見底方法開采（采煤過程中遇到頂?shù)装逅绍洝⑵扑閹А⒋蟮牡刭|(zhì)構(gòu)造、冒頂區(qū)等需改變采煤工藝時，另行制定專項(xiàng)安全技術(shù)措施）。

2 煤柱留設(shè)問題的提出

綜放工作面沿空掘巷后的應(yīng)力分布和破壞機(jī)理如圖1 所示，通過分析表明沿空巷掘進(jìn)后應(yīng)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(qū)域，導(dǎo)致在煤體邊緣頂板彎曲下沉，并形成破碎區(qū)域。左邊工作面采放期間，由于煤柱兩側(cè)空區(qū)未填實(shí)導(dǎo)致支撐力較小，從而引發(fā)頂板的二次斷裂，該次斷裂變形量大、應(yīng)力集中，增加了巷道支護(hù)難度。

圖1 沿空掘巷應(yīng)力分布和破壞機(jī)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(jìn)巷道尺寸為5.3 m×3.3 m，為保證巷道的整體穩(wěn)固性，有效隔離防火區(qū)和采空區(qū)瓦斯的涌出，采用了寬煤柱留設(shè)方式，留設(shè)煤柱寬度45 m。該方式雖然起到了隔離防火區(qū)的效果，但工作面順槽巷道由于礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致變形、冒頂嚴(yán)重，甚至局部底鼓，影響著礦井的安全高效生產(chǎn)，且兩工作面保安煤柱較寬，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，煤柱損失高達(dá)20%左右。針對以上情況，為實(shí)現(xiàn)窄小煤柱沿空掘巷提供安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的方案，開展特厚煤層綜放工作面小煤柱留設(shè)技術(shù)研究。

3 沿空掘巷小煤柱寬度選擇方法

3.1 理論計(jì)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(qū)段煤體的屈服區(qū)寬度（計(jì)算公式見公式1）；x2為窄煤柱一側(cè)錨桿支護(hù)有效長度，取值2.5 m；x3為該區(qū)域的安全系數(shù)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(jù)極限平衡理論，得出x1的計(jì)算公式。

式中：x1為上區(qū)段煤體的屈服區(qū)寬度，m；M 為上水平巷道高度，3.5 m；Px為煤柱受到采空區(qū)的側(cè)向約束力，取0；α 為煤層傾角，取0；σyl為煤柱抗壓極限強(qiáng)度，19.891 MPa；β 為屈服區(qū)與核區(qū)側(cè)壓系數(shù)，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(shù)，考慮到實(shí)際開采擾動影響，取1.7。

將該工作面參數(shù)代入式（1），算得xl=3.55 m。根據(jù)已經(jīng)算得的xl=3.55 m，x2=2.5 m，計(jì)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(yīng)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(biāo)高+580.13 m，井下標(biāo)高-138.10 m，實(shí)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(shù)f 值為1.5，區(qū)段煤柱留設(shè)6 m。

（2） 山能巨龍礦一采區(qū)工作面。一采區(qū)平均開采深度800 m，回采煤層厚9.03 m，普氏系數(shù)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(biāo)高-640—-720 m，斜長205 m，煤層厚度5.53 m，普氏硬度系數(shù)f=0.7。回采期間煤柱留設(shè)寬度取值3～5 m。

礦井實(shí)際生產(chǎn)表明，該煤柱留設(shè)寬度能夠?qū)崿F(xiàn)安全采礦。沿空巷掘進(jìn)期間，巷道穩(wěn)固、礦壓顯現(xiàn)不顯著，巷道無變形或者變形量較小，支護(hù)難度較小；煤層回采期間，礦壓稍有顯現(xiàn)，主要體現(xiàn)在超前支承壓力導(dǎo)致巷道有一定的形變量，采取補(bǔ)打錨桿、補(bǔ)打錨索方式即可實(shí)現(xiàn)沿空巷的穩(wěn)定支護(hù)。

3.3 綜合考慮其它特殊因素

①8102 工作面通風(fēng)巷，設(shè)計(jì)寬度5.0 m，開挖寬度5.4 m，需要預(yù)留較寬煤柱；②挖金灣礦考慮煤層自燃性、采空側(cè)瓦斯溢出等安全因素；③8202區(qū)段煤層厚度分布不均，局部達(dá)到2.6 m，比礦區(qū)平均厚度小。

3.4 小煤柱寬度的確定

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

4 應(yīng)用實(shí)踐及礦壓檢測

4.1 應(yīng)用實(shí)踐

挖金灣礦根據(jù)8102 工作面的賦存條件，選擇一個地點(diǎn)開挖2 條巷道進(jìn)行對比試驗(yàn)，其中1 條巷道預(yù)留煤柱尺寸為5 m，另一條巷道預(yù)留煤柱寬度為25 m，該地點(diǎn)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(jiān)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(jī)），壓力分機(jī)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(jiān)測。在未安裝自動監(jiān)測系統(tǒng)的支架上安裝YHY60（A） 型光控?cái)?shù)字壓力表，對支架前、后柱油缸下腔的壓力進(jìn)行監(jiān)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(shù)2 點(diǎn)，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(nèi)，同時壽命較長，適合煤業(yè)公司的液壓支架使用。

（3） 順槽礦壓監(jiān)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(jìn)行1 次人工數(shù)據(jù)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(jì)，放于兩順槽超前支護(hù)范圍內(nèi)，通過對數(shù)據(jù)的觀測和分析，總結(jié)超前范圍內(nèi)的壓力分布規(guī)律，驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)是否合理。

4.3 檢測效果評價

開挖沿空巷道以后的應(yīng)力分布監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：煤柱為5 m 時，對應(yīng)的沿空巷道垂直應(yīng)力也較小，煤柱寬度＜10 m，沿空巷道的應(yīng)力集中較小，巷道處于低應(yīng)力區(qū)；煤柱寬度為25 m 時，應(yīng)力集中明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致巷道所受到的應(yīng)力較大。

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

5 結(jié)語

通過對挖金灣礦煤層賦存條件進(jìn)行分析，參考理論計(jì)算、工程類比以及其它因素的基礎(chǔ)上，確定了8102 沿空巷沿空側(cè)煤柱寬度為8 m。實(shí)踐表明，小煤柱留設(shè)技術(shù)相對于寬煤柱留設(shè)方式，具有改善沿空巷道應(yīng)力集中的效果，使得巷道處于低應(yīng)力區(qū)，避免了礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致的巷道變形、冒頂、底鼓問題，并且該技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，降低了寬煤柱導(dǎo)致的資源損失，效果較好。