淺埋煤層沿空掘巷小煤柱留設(shè)寬度及支護(hù)技術(shù)研究

宋宇鵬 王 濤

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)長治有限公司，山西 長治 046000）

留設(shè)區(qū)段煤柱護(hù)巷是井工煤礦回采工作面常見的布置方式。為了保證工作面生產(chǎn)安全，區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度一般在20～30 m，部分礦井甚至達(dá)到50～60 m，造成大量的煤炭資源損失[1-3]。近年來，隨著采煤技術(shù)和采掘裝備的不斷發(fā)展，小煤柱沿空掘巷作為一種提高煤炭采出率、優(yōu)化生產(chǎn)布局的布置形式，得到越來越廣泛的應(yīng)用[4]。眾多學(xué)者對沿空掘巷理論和圍巖控制技術(shù)開展了大量研究[5-7]，提出了確定小煤柱合理寬度的理論和經(jīng)驗(yàn)公式，分析了影響小煤柱穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。隨著煤炭資源開發(fā)向中西部礦區(qū)轉(zhuǎn)移，淺埋煤層成為部分礦井的主力開采煤層，淺埋煤層沿空掘巷技術(shù)研究與應(yīng)用也成為熱點(diǎn)問題[8]。微子鎮(zhèn)礦以往回采工作面的區(qū)段煤柱寬度為15 m，為進(jìn)一步對煤柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化，提高煤炭資源采出率，緩解礦井采掘銜接緊張問題，以15103 工作面回風(fēng)順槽沿空掘巷為工程背景，通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬確定了小煤柱留設(shè)寬度，基于小煤柱施工條件設(shè)計(jì)了沿空巷道的支護(hù)方案，并在現(xiàn)場進(jìn)行了工程應(yīng)用。

1 工程概況

微子鎮(zhèn)礦現(xiàn)采煤層為太原組15 號煤層，平均厚度3.8 m，平均傾角8°，局部存在兩層夾矸，厚度0.3～0.8 m，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，平均埋深190 m，屬淺埋煤層。15 號煤層直接頂為厚度0.5～0.8 m 的泥巖，灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)；基本頂為厚度6.15～12.2 m 的中粒砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬；直接底為厚度1.8～3.0 m 的泥巖，灰～灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)；基本底為厚度4.1～6.9 m 的鋁質(zhì)泥巖，淺灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀、塊狀構(gòu)造。

15103 工作面是全礦第3 個工作面，設(shè)計(jì)可采長度420 m，切眼長度150 m，位于一采區(qū)中部，南側(cè)為一采區(qū)膠帶大巷，北部為小窯破壞區(qū)，西側(cè)為15102 工作面采空區(qū)，東側(cè)為15105 工作面實(shí)體煤。工作面采用雙巷布置，綜采一次采全高開采工藝，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。沿空掘巷的試驗(yàn)巷道為15103 工作面回風(fēng)順槽，沿15102 工作面采空區(qū)邊緣15 號煤層頂板布置，掘進(jìn)斷面尺寸5 m×4 m。為提高煤炭資源采出率，計(jì)劃在兩個工作面之間留小煤柱。15103 和15102 工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 15103 和15102 工作面巷道布置

2 小煤柱合理留設(shè)寬度研究

2.1 小煤柱寬度理論計(jì)算

由圖1 可知，15103 工作面小煤柱兩側(cè)分別為15102 工作面采空區(qū)和15103 工作面回風(fēng)順槽。基于圍巖極限平衡理論，小煤柱寬度計(jì)算公式由式（1）得出，計(jì)算示意圖如圖2 所示[9-10]。

圖2 小煤柱寬度計(jì)算模型

式中：X1為15102 工作面回采后形成的塑性區(qū)寬度，計(jì)算公式由式（2）得出；X2為15103 回風(fēng)順槽煤柱幫的支護(hù)錨桿長度，取2.4 m；X3為煤柱的安全系數(shù)，按0.15～0.35（X1+X2）計(jì)算。回采后形成的煤柱塑性區(qū)寬度X1計(jì)算公式如下：

式中：M為煤層采高，取3.8 m；λ為側(cè)壓系數(shù)，取0.6；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取22°；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.8；γ為上覆巖層平均容重，取0.025 MN/m3；H為試驗(yàn)巷道平均埋深，取190 m；C為煤柱與頂板交界處黏聚力，取1.2 MPa；p為15102工作面采空區(qū)側(cè)對煤柱的支護(hù)阻力，取0.2 MPa。

以上數(shù)據(jù)代入式（2）計(jì)算可得：X1=3.52 m，X3=0.89～2.07 m，則小煤柱合理寬度L為6.81～7.99 m。綜合考慮，15103 工作面沿空掘巷小煤柱寬度建議取7 m。

2.2 小煤柱寬度模擬分析

2.2.1 數(shù)值模型建立

為了更好地研究區(qū)段小煤柱的采動應(yīng)力狀態(tài)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對小煤柱內(nèi)應(yīng)力場的分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析。數(shù)值模型尺寸根據(jù)實(shí)際工程情況設(shè)定，模型尺寸為400 m×200 m×140 m（長×寬×高），煤巖層厚度按地質(zhì)綜合柱狀圖平均厚度確定，煤巖層物理力學(xué)參數(shù)按實(shí)驗(yàn)室測定數(shù)據(jù)確定。建立的分析模型上表面為自由面，施加均勻的垂直壓應(yīng)力模擬上覆巖層載荷，固定模型下表面垂直位移，對模型側(cè)面施加水平壓應(yīng)力，屈服準(zhǔn)則采用摩爾—庫侖力學(xué)模型。

2.2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)理論計(jì)算得出的小煤柱合理留設(shè)寬度，分別模擬5 m、6 m、7 m、8 m 煤柱寬度條件下的應(yīng)力分布特征，模擬結(jié)果如圖3～圖4 所示。

圖3 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力情況

由圖3 可以看出，15103 回風(fēng)順槽實(shí)體煤幫的垂直應(yīng)力隨煤柱留設(shè)寬度的增加而減小，但變化不是很大。區(qū)段煤柱中的垂直應(yīng)力隨煤柱留設(shè)寬度的增加而增大，當(dāng)煤柱寬度為5～6 m 時煤柱中垂直應(yīng)力變化不是很明顯，基本保持在5 MPa 左右；煤柱寬度為7 m 時開始出現(xiàn)應(yīng)力核，但范圍比較小；煤柱寬度增加到8 m 時，應(yīng)力核的范圍明顯變大，煤柱中垂直應(yīng)力為8～9 MPa。

由圖4 可以看出，15103 回風(fēng)順槽實(shí)體煤幫的水平應(yīng)力變化不大，基本保持穩(wěn)定，區(qū)段煤柱中的水平應(yīng)力隨著煤柱留設(shè)寬度的增加而增大。煤柱寬度為5～7 m 時，其水平應(yīng)力變化范圍是1～2 MPa，說明水平應(yīng)力隨煤柱寬度增大的幅度不是很明顯；當(dāng)煤柱寬度為8 m 時，煤柱中開始出現(xiàn)應(yīng)力核，該區(qū)域水平應(yīng)力達(dá)2～3 MPa。

通過以上分析，5 m 煤柱不如6 m 煤柱的承載能力強(qiáng)；當(dāng)煤柱寬度為7 m 時，由于煤柱中央應(yīng)力核的存在，煤柱承受的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力要大于5 m 和6 m 寬度的煤柱；煤柱寬度超過7 m，煤柱中的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力明顯增大，煤柱容易出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。綜上所述，考慮保證煤柱及巷道穩(wěn)定性前提下，為最大限度地提高資源回收率，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，小煤柱留設(shè)寬度取7 m 為宜，該結(jié)果與前文理論計(jì)算相同。

3 沿空掘巷支護(hù)方案

3.1 巷道布置方式

15103 回風(fēng)順槽沿15 號煤層頂板掘進(jìn)，鄰近15102 工作面采空區(qū)布置，中間留設(shè)7 m 寬的護(hù)巷煤柱。15103 回風(fēng)順槽為矩形斷面，掘?qū)? m，掘高4 m，掘進(jìn)斷面積20 m2，凈寬4.8 m，凈高3.9 m，凈斷面積18.72 m2，設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度460 m，巷道用途為15103 工作面回風(fēng)、材料運(yùn)輸及行人。

3.2 掘進(jìn)期間支護(hù)方案

3.2.1 頂板支護(hù)

巷道頂板采用6 根Ф22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿配合4.8 m 長的H 型鋼帶進(jìn)行支護(hù)，中間4根錨桿垂直頂板布置，靠近巷幫處的2 根錨桿外斜15°布置，每根錨桿采用1 支K2335 和1 支Z2360樹脂錨固劑，間排距850 mm×1000 mm。在每2排錨桿間布置2 根Ф18.9 mm×7000 mm 的鋼絞線錨索，每根錨索采用1 支K2335 和2 支Z2360 樹脂錨固劑，錨固長度1760 mm，錨索間排距2000 mm×2000 mm。錨索配備300 mm×300 mm×14 mm 高強(qiáng)度可調(diào)心托板。錨桿的錨固力152 kN，預(yù)緊扭矩300 N·m；錨索的錨固力331 kN，張拉預(yù)緊力205 kN。

3.2.2 實(shí)體煤幫支護(hù)

實(shí)體煤幫采用5 根Ф22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿配合3.2 m 長的H 型鋼帶支護(hù)，中間3 根錨桿垂直巷幫布置，靠近頂（底）板處的幫錨桿上（下）斜15°布置，每根錨桿采用1 支K2335 和1 支Z2360 樹脂錨固劑，間排距900 mm×1000 mm。幫錨桿的錨固力125 kN，由于煤體強(qiáng)度低，預(yù)緊力過大易造成錨桿失效，預(yù)緊扭矩設(shè)計(jì)為200 N·m。

3.2.3 小煤柱幫支護(hù)

小煤柱幫采用5 根Ф22 mm×2400 mm 的螺紋鋼錨桿配合3.2 m 長的H 型鋼帶支護(hù)，錨桿布置方式與實(shí)體煤幫錨桿支護(hù)相同。考慮到小煤柱幫受15102 工作面采動應(yīng)力影響，為提高煤柱的穩(wěn)定性，在每2 排幫錨桿間布置1 根Ф18.9 mm×5300 mm 的鋼絞線錨索作為加強(qiáng)支護(hù)，幫錨索排距2000 mm，距頂板1400 mm，垂直巷幫打設(shè)。15103 回風(fēng)順槽支護(hù)方案如圖5 所示。

圖5 15103 回風(fēng)順槽支護(hù)方案（mm）

3.3 回采期間加強(qiáng)支護(hù)

15103 工作面回采時，受工作面回采動壓影響，小煤柱巷道容易出現(xiàn)變形失穩(wěn)。超前支承壓力的影響范圍一般為20 m，需要對該范圍內(nèi)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。為提高支護(hù)效果，超前工作面20 m 巷道采用3 組6 架ZQL2×4000/22/45 型超前支架進(jìn)行支護(hù)，支架中心距1990 mm，頂梁長度6 m，兩組超前架中部側(cè)板間距不超過1000 mm，側(cè)護(hù)板距煤幫不超過500 mm，工作阻力4000 kN，初撐力不低于3092 kN，乳化液泵站壓力30 MPa。

4 工程效果分析

4.1 礦壓監(jiān)測分析

為驗(yàn)證15103 工作面沿空掘巷7 m 小煤柱留設(shè)的合理性和支護(hù)方案的可靠性，對15103 回風(fēng)順槽掘進(jìn)及回采期間的頂?shù)装搴蛢蓭鸵平窟M(jìn)行了持續(xù)觀測。巷道內(nèi)共設(shè)置3 個表面位移測站，采用“十字布點(diǎn)法”進(jìn)行觀測。礦壓觀測數(shù)據(jù)表明：15103回風(fēng)順槽在沿空掘進(jìn)期間頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平空w較小，巷道掘出后前15 d 變形較大，15 d 后變形速度放緩，30 d 后基本趨于穩(wěn)定。掘進(jìn)期間頂?shù)装迤骄平?2 mm，兩幫平均移近量105 mm，巷道支護(hù)狀況良好。在15103 工作面回采過程中，超前工作面100 m 以外，巷道保持穩(wěn)定；距工作面100 m 時，頂?shù)装搴蛢蓭烷_始出現(xiàn)緩慢位移；隨著工作面推進(jìn)，圍巖變形速度急劇增加，在距工作面20 m 處，頂?shù)装逡平窟_(dá)到240 mm，兩幫移近量達(dá)到510 mm；進(jìn)入超前支護(hù)范圍內(nèi)，由于超前支架的強(qiáng)力支撐，頂?shù)装逡平吭黾硬淮螅珒蓭妥冃芜M(jìn)一步加劇。從設(shè)置表面位移測站到工作面回采至該位置，頂?shù)装逡平抗灿?jì)291 mm，兩幫移近量為812 mm，最大斷面收縮率不超過25%，變形量處于可控范圍，巷道整體維護(hù)狀況良好，說明采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)+超前支架加強(qiáng)支護(hù)對圍巖變形起到很好的控制作用。

4.2 巷道瓦斯含量監(jiān)測分析

15103 回風(fēng)順槽沿空掘進(jìn)期間巷道內(nèi)瓦斯含量穩(wěn)定在0.04%～0.08%之間，15103 工作面回采過程中，巷道內(nèi)瓦斯含量有所增加，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛缺３衷?.04%～0.12%之間，未發(fā)生大范圍的瓦斯?jié)舛炔▌樱f明留設(shè)的7 m 小煤柱有效防止15102 工作面采空區(qū)瓦斯溢入15103 工作面，對采空區(qū)起到了很好的隔離作用。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

在15103 工作面采用小煤柱沿空掘巷，將區(qū)段煤柱的寬度由15 m 縮小至7 m，可多回收8 m 寬度的煤柱資源。15103 工作面推進(jìn)長度取420 m，采高取3.8 m，15 號煤容重取1.42 t/m3，回采率取93%，理論計(jì)算多回收煤炭1.69 萬t，按煤炭價格450 元/t 計(jì)算，可創(chuàng)收758 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

1）基于圍巖極限平衡理論，結(jié)合15103 工作面的開采條件，理論計(jì)算得小煤柱合理寬度為6.81～7.99 m，綜合考慮取7 m 為宜；在采動影響下對5 m、6 m、7 m、8 m 四種寬度的煤柱進(jìn)行數(shù)值模擬分析，最終確定15103 工作面小煤柱合理留設(shè)寬度為7 m。

2）設(shè)計(jì)了小煤柱沿空巷道支護(hù)方案，掘進(jìn)期間頂板和兩幫采用2.4 m 錨桿支護(hù)，頂板采用7 m長錨索、煤柱幫采用5.3 m 短錨索支護(hù)，回采期間對超前工作面20 m 范圍內(nèi)巷道采用超前支架加強(qiáng)支護(hù)。

3）通過對巷道變形量和瓦斯含量進(jìn)行監(jiān)測，15103 回風(fēng)順槽在掘進(jìn)至回采期間頂?shù)装遄畲笠平?91 mm，兩幫最大移近量812 mm，圍巖變形處于可控范圍，瓦斯含量也處在工程允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小煤柱工作面安全高效回采。

4）15103 工作面通過留7 m 煤柱沿空掘巷實(shí)現(xiàn)了小煤柱開采，較15 m 大煤柱開采方案多回收煤柱資源1.69 萬t，創(chuàng)收758 萬元，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有良好的推廣應(yīng)用前景。