宋宇鵬 王 濤

（山西煤炭運銷集團長治有限公司，山西 長治 046000）

留設區(qū)段煤柱護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安全，區(qū)段煤柱的留設寬度一般在20～30 m，部分礦井甚至達到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)化生產布局的布置形式，得到越來越廣泛的應用[4]。眾多學者對沿空掘巷理論和圍巖控制技術開展了大量研究[5-7]，提出了確定小煤柱合理寬度的理論和經驗公式，分析了影響小煤柱穩(wěn)定的關鍵因素，并應用于工程實踐。隨著煤炭資源開發(fā)向中西部礦區(qū)轉移，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研究與應用也成為熱點問題[8]。微子鎮(zhèn)礦以往回采工作面的區(qū)段煤柱寬度為15 m，為進一步對煤柱尺寸進行優(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 工作面回風順槽沿空掘巷為工程背景，通過理論計算和數(shù)值模擬確定了小煤柱留設寬度，基于小煤柱施工條件設計了沿空巷道的支護方案，并在現(xiàn)場進行了工程應用。

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，結構簡單，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，泥質結構；基本頂為厚度6.15～12.2 m 的中粒砂巖，質地堅硬；直接底為厚度1.8～3.0 m 的泥巖，灰～灰黑色，泥質結構；基本底為厚度4.1～6.9 m 的鋁質泥巖，淺灰色，泥質結構，厚層狀、塊狀構造。

15103 工作面是全礦第3 個工作面，設計可采長度420 m，切眼長度150 m，位于一采區(qū)中部，南側為一采區(qū)膠帶大巷，北部為小窯破壞區(qū)，西側為15102 工作面采空區(qū)，東側為15105 工作面實體煤。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。沿空掘巷的試驗巷道為15103 工作面回風順槽，沿15102 工作面采空區(qū)邊緣15 號煤層頂板布置，掘進斷面尺寸5 m×4 m。為提高煤炭資源采出率，計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 小煤柱合理留設寬度研究

2.1 小煤柱寬度理論計算

由圖1 可知，15103 工作面小煤柱兩側分別為15102 工作面采空區(qū)和15103 工作面回風順槽?；趪鷰r極限平衡理論，小煤柱寬度計算公式由式（1）得出，計算示意圖如圖2 所示[9-10]。

圖2 小煤柱寬度計算模型

式中：X1為15102 工作面回采后形成的塑性區(qū)寬度，計算公式由式（2）得出；X2為15103 回風順槽煤柱幫的支護錨桿長度，取2.4 m；X3為煤柱的安全系數(shù)，按0.15～0.35（X1+X2）計算?；夭珊笮纬傻拿褐苄詤^(qū)寬度X1計算公式如下：

式中：M為煤層采高，取3.8 m；λ為側壓系數(shù)，取0.6；φ為煤體內摩擦角，取22°；K為應力集中系數(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)側對煤柱的支護阻力，取0.2 MPa。

以上數(shù)據代入式（2）計算可得：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)段小煤柱的采動應力狀態(tài)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對小煤柱內應力場的分布規(guī)律進行模擬分析。數(shù)值模型尺寸根據實際工程情況設定，模型尺寸為400 m×200 m×140 m（長×寬×高），煤巖層厚度按地質綜合柱狀圖平均厚度確定，煤巖層物理力學參數(shù)按實驗室測定數(shù)據確定。建立的分析模型上表面為自由面，施加均勻的垂直壓應力模擬上覆巖層載荷，固定模型下表面垂直位移，對模型側面施加水平壓應力，屈服準則采用摩爾—庫侖力學模型。

2.2.2 模擬結果分析

根據理論計算得出的小煤柱合理留設寬度，分別模擬5 m、6 m、7 m、8 m 煤柱寬度條件下的應力分布特征，模擬結果如圖3～圖4 所示。

圖3 不同寬度煤柱垂直應力情況

由圖3 可以看出，15103 回風順槽實體煤幫的垂直應力隨煤柱留設寬度的增加而減小，但變化不是很大。區(qū)段煤柱中的垂直應力隨煤柱留設寬度的增加而增大，當煤柱寬度為5～6 m 時煤柱中垂直應力變化不是很明顯，基本保持在5 MPa 左右；煤柱寬度為7 m 時開始出現(xiàn)應力核，但范圍比較?。幻褐鶎挾仍黾拥? m 時，應力核的范圍明顯變大，煤柱中垂直應力為8～9 MPa。

由圖4 可以看出，15103 回風順槽實體煤幫的水平應力變化不大，基本保持穩(wěn)定，區(qū)段煤柱中的水平應力隨著煤柱留設寬度的增加而增大。煤柱寬度為5～7 m 時，其水平應力變化范圍是1～2 MPa，說明水平應力隨煤柱寬度增大的幅度不是很明顯；當煤柱寬度為8 m 時，煤柱中開始出現(xiàn)應力核，該區(qū)域水平應力達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；當煤柱寬度為7 m 時，由于煤柱中央應力核的存在，煤柱承受的垂直應力與水平應力要大于5 m 和6 m 寬度的煤柱；煤柱寬度超過7 m，煤柱中的垂直應力和水平應力明顯增大，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，根據數(shù)值模擬結果，小煤柱留設寬度取7 m 為宜，該結果與前文理論計算相同。

3 沿空掘巷支護方案

3.1 巷道布置方式

15103 回風順槽沿15 號煤層頂板掘進，鄰近15102 工作面采空區(qū)布置，中間留設7 m 寬的護巷煤柱。15103 回風順槽為矩形斷面，掘寬5 m，掘高4 m，掘進斷面積20 m2，凈寬4.8 m，凈高3.9 m，凈斷面積18.72 m2，設計掘進長度460 m，巷道用途為15103 工作面回風、材料運輸及行人。

3.2 掘進期間支護方案

3.2.1 頂板支護

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 型鋼帶進行支護，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 高強度可調心托板。錨桿的錨固力152 kN，預緊扭矩300 N·m；錨索的錨固力331 kN，張拉預緊力205 kN。

3.2.2 實體煤幫支護

實體煤幫采用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，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，由于煤體強度低，預緊力過大易造成錨桿失效，預緊扭矩設計為200 N·m。

3.2.3 小煤柱幫支護

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，錨桿布置方式與實體煤幫錨桿支護相同。考慮到小煤柱幫受15102 工作面采動應力影響，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支護，幫錨索排距2000 mm，距頂板1400 mm，垂直巷幫打設。15103 回風順槽支護方案如圖5 所示。

圖5 15103 回風順槽支護方案（mm）

3.3 回采期間加強支護

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，需要對該范圍內巷道進行加強支護。為提高支護效果，超前工作面20 m 巷道采用3 組6 架ZQL2×4000/22/45 型超前支架進行支護，支架中心距1990 mm，頂梁長度6 m，兩組超前架中部側板間距不超過1000 mm，側護板距煤幫不超過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

為驗證15103 工作面沿空掘巷7 m 小煤柱留設的合理性和支護方案的可靠性，對15103 回風順槽掘進及回采期間的頂?shù)装搴蛢蓭鸵平窟M行了持續(xù)觀測。巷道內共設置3 個表面位移測站，采用“十字布點法”進行觀測。礦壓觀測數(shù)據表明：15103回風順槽在沿空掘進期間頂?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。掘進期間頂?shù)装迤骄平?2 mm，兩幫平均移近量105 mm，巷道支護狀況良好。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，圍巖變形速度急劇增加，在距工作面20 m 處，頂?shù)装逡平窟_到240 mm，兩幫移近量達到510 mm；進入超前支護范圍內，由于超前支架的強力支撐，頂?shù)装逡平吭黾硬淮?，但兩幫變形進一步加劇。從設置表面位移測站到工作面回采至該位置，頂?shù)装逡平抗灿?91 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，巷道整體維護狀況良好，說明采用錨桿索聯(lián)合支護+超前支架加強支護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 回風順槽沿空掘進期間巷道內瓦斯含量穩(wěn)定在0.04%～0.08%之間，15103 工作面回采過程中，巷道內瓦斯含量有所增加，回風流中瓦斯?jié)舛缺３衷?.04%～0.12%之間，未發(fā)生大范圍的瓦斯?jié)舛炔▌?，說明留設的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 經濟效益分析

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%，理論計算多回收煤炭1.69 萬t，按煤炭價格450 元/t 計算，可創(chuàng)收758 萬元，經濟效益顯著。

5 結論

1）基于圍巖極限平衡理論，結合15103 工作面的開采條件，理論計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 四種寬度的煤柱進行數(shù)值模擬分析，最終確定15103 工作面小煤柱合理留設寬度為7 m。

2）設計了小煤柱沿空巷道支護方案，掘進期間頂板和兩幫采用2.4 m 錨桿支護，頂板采用7 m長錨索、煤柱幫采用5.3 m 短錨索支護，回采期間對超前工作面20 m 范圍內巷道采用超前支架加強支護。

3）通過對巷道變形量和瓦斯含量進行監(jiān)測，15103 回風順槽在掘進至回采期間頂?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，實現(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，經濟效益顯著，具有良好的推廣應用前景。