沿空掘巷窄煤柱留設寬度工程設計與實踐

劉會戰，李 想，張 寧

（山東魯能菏澤煤電公司 郭屯煤礦，山東 鄆城274700）

1 工程概況

1.1 工作面位置

1303 工作面軌道順槽位于－808m軌道石門南側，地面標高＋43.1m～＋45.1m，巷道標高－796m～－868.8 m，東部為1301工作面（正在回采），西部為1303工作面（1303工作面切眼及膠帶順槽掘進結束），南部為實體煤層，1303工作面采掘工程布置見圖1。

1.2 煤層賦存特征及頂底板情況

1303 工作面內3煤厚1.80～3.00m，平均2.8m；受向斜構造影響，煤層傾角變化較大，傾角3°～15°，平均8°。3煤為黑色，玻璃光澤，主要為亮煤，次為暗煤、半亮型煤，內生裂隙發育，含少量黃鐵礦晶粒，階梯狀斷口。該區域煤層賦存較為穩定，結構簡單，在掘進范圍內煤層平均厚度約2.80m。根據1301工作面和1303膠帶順槽巷道實際揭露情況，預計局部地段煤層含夾矸。

圖1 1303工作面采掘工程平面

2 沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定

2.1 沿空掘巷窄煤柱變形破壞規律

根據郭屯煤礦1303工作面的現場地質條件及開采技術條件，在沿空掘巷窄煤柱寬度的模擬研究過程中，分別選取3m、4m、4.5m、5m、7m和9m六種模擬方案；并對各方案中窄煤柱破壞情況以及沿空掘巷的圍巖變形破壞特征兩個方面的實施效果進行分析，從而確定合理窄煤柱寬度。

通過對不同窄煤柱寬度條件下的巷道進行模擬開挖研究，對比分析開挖引起的煤柱破壞規律差異（見圖2）。

圖2 不同寬度的窄煤柱位移矢量

從圖2可以看出：

（1）煤柱破碎程度從上往下逐漸降低，沿煤柱中心往兩側，煤柱的破壞及位移逐漸增大；且窄煤柱、直接頂和老頂都有沿一斜面向采空區滑落的趨勢。

（2）窄煤柱的變形呈不對稱分布，分別向上區段采空區和沿空巷道方向變形移動，且靠近沿空掘巷一側變形比較明顯。

（3）窄煤柱在上覆載荷的作用下，在垂直方向上呈不同程度的壓縮破壞，從下往上煤柱破壞程度越來越大。

（4）與下部相比，煤柱上部垂直位移和水平位移都比較大，表現為沿某個滑移面向采空區滑落的趨勢，隨著煤柱寬度的減小，這種規律愈加明顯；且在煤柱的同一位置，水平位移要大于垂直位移。

（5）隨著窄煤柱寬度的變化，水平位移和垂直位移也呈現不同程度的變化：整體而言，煤柱寬度越大，煤柱中心完整區域就越大；當煤柱寬度較小時，整個窄煤柱沿一斜面向上區段采空區滑落，破壞嚴重。

在不同煤柱寬度條件下，1303工作面沿空巷道掘進期間的頂板下沉、底板鼓起、實體煤幫以及窄煤柱幫的變形量見圖3，各方案的位移匯總見表1。

圖3 掘巷期間沿空掘巷圍巖變形情況

由圖3和表1可知：

（1）當窄煤柱寬度不同時，沿空掘巷窄煤柱幫的移近量均大于頂板下沉量、底鼓量和實體煤幫移近量。

（2）當窄煤柱為4.5m時，頂板下沉量、窄煤柱幫移近量和實體煤幫移近量均存在拐點，且隨著煤柱寬度的增加頂板下沉量和煤柱幫移近量均保持一定斜率增加。

（3）底鼓量較小，平均30mm，窄煤柱幫移近量最大，這就要求對窄煤柱幫進行加強支護，防止變形過大，避免片幫的危險。

（4）當窄煤柱寬度為4.5m時，沿空掘巷整體圍巖變形相對較小。

3 工程實踐分析

沿空掘巷的窄煤柱寬度設計和現場施工條件緊密關聯，合理的窄煤柱寬度的確定應考慮現場施工的一些基本要求：煤柱的寬度至少應大于支護錨桿的長度，結合現場使用的2.2m長錨桿，再留有一定的富裕系數，故要求窄煤柱的寬度應不小于3m。錨桿安設的可操作性，在留設窄煤柱條件下，錨桿支護施工中經常會出現錨桿鉆孔塌孔現象，致使錨桿的安裝無法正常進行，故在實踐中都應當予以考慮。

4 窄煤柱合理寬度的最終確定

由以上分析可見，1303工作面軌道順槽采用錨桿支護時，窄煤柱合理寬度的確定應充分考慮以下3個問題：

1）對沿空掘巷的窄煤柱來說，靠1301工作面采空區側煤體中存在一定范圍的破碎區，安設錨桿時，其留設的煤柱寬度最好應能使錨桿位于采空側所形成的破碎區之外的實體煤中，以保證錨桿支護具備可靠的錨固能力。

2）沿空掘巷的窄煤柱尺寸決定了巷道與上區段工作面回采空間的距離，從而決定了巷道受側向支承壓力的影響程度；同時，窄煤柱的尺寸也將直接關系到窄煤柱自身的承載能力。

3）窄煤柱的寬度應能保證錨桿支護在操作上的可行性。

通過上面的分析可以得出這樣的結論：在窄煤柱條件下，沿空掘巷在巷道施工期間，只是引起巷道圍巖小結構的應力重新分布，而沒有引起圍巖大結構的強烈運動，所以掘巷期間圍巖的變形量不是很大，但巷道在工作面回采帶來的超前壓力影響時，圍巖大結構將會產生很大程度的破壞，巷道上方基本頂產生斷裂回轉，引起巷道圍巖的強烈變形，在此情況下，合理的窄煤柱寬度與巷道的穩定性有很大的關系。

綜合分析得出：1303工作面軌道順槽窄煤柱寬度在4～4.5m之間是合適的，該結論可作為1303工作面軌道順槽窄煤柱寬度設計的依據。

5 工程實踐效果

現場實踐證明，1303軌道順槽在工作面回采超前壓力影響下，頂板下沉量控制在200mm，底鼓量控制在120 mm，實體煤幫移近量控制在300mm，窄煤柱幫移近量控制在500mm，巷道滿足回采期間安全生產要求，達到了預期設計要求。本次窄煤柱留設寬度實踐的成功對郭屯煤礦后期沿空掘巷起到很強的指導和借鑒作用。

〔1〕侯朝炯，李學華.綜放沿空掘巷圍巖大小結構的穩定性原理〔J〕.煤炭學報，2001，（1）.

〔2〕徐永圻.采礦學〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2003.

〔3〕柏建彪.沿空掘巷圍巖控制〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2006.

〔4〕錢鳴高，石平五.巖石壓力與巖層控制〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2003.