厚煤層綜采放頂煤工藝區段小煤柱技術創新分析

鄧勇軍

（陽泉煤業（集團）有限責任公司五礦，山西　陽泉　045209）

引言

隨著時代科技的不斷發展，沿空掘巷技術的應用范圍越來越廣，已然成為一項成熟的新技術。現如今的沿空掘巷技術一般都應用于中厚煤層，采用預留一部分區域設置小煤柱的方法，采放的高度通常不超過6m，礦山所造成的壓力比較穩定。但是，硯北煤礦屬于礦山壓力超強的顯現礦井，開采的方式屬于特厚每層的分層開采法，若是在此種條件下，仍然能將沿空掘巷技術實驗成功，那對于此類技術的發展無疑是具有相當大的意義的，也將開創厚煤層開采技術的先河，為拓寬沿空掘巷技術的使用范圍做出重大貢獻，為煤礦開采的從業人員提供更多的思路和選擇，同時還可以節約資源，減少不必要的浪費，也能大大提高礦井的安全性。

1　小煤柱技術的定義

小煤柱開采技術實際上源于無煤柱開采技術，就是在區段和區段中預留3～5m的小煤柱來支撐礦井下的壓力從而保護巷道不變形。

2　小煤柱技術的優點

1）小煤柱技術在地應力上具有優勢，其所設置的回風槽恰好規避了外營力較為集中的區域，巷道所受到的壓力較小，變形程度較小，支護起來十分方便。另外小煤柱對于頂板情況的適應性強，不論完整程度如何都可以架設。

2）小煤柱技術在瓦斯治理時的效果十分突出，治理效果明顯。

3）小煤柱技術可以減少對于臨近煤層的瓦斯治理。小煤柱技術的效果和持續性都是相當優異的，這種優勢甚至可以對于臨近煤層有一定影響，簡直可以稱得上一勞永逸，這就使得工人不必經常擔心瓦斯問題而不得不反復治理，節省了大量工作成本。

4）小煤柱技術對于煤炭資源的節省大為有利。相較于之前的技術，小煤柱技術不但操作簡便、使用方便，而且對于煤炭資源的節省也極為可觀，對于煤炭資源的利用率最高。

3　硯北煤礦概述

硯北煤礦現在已經開始對5號煤層進行開采，最深的地方可以達到800m。5號煤層的傾斜角度為0°～9°，屬于特厚型煤層[1]，煤層的平均厚度可以達到37.5m，沖擊地壓性表現的相當強烈，具體情況見表1。

表1　5號煤層巖性

4　實驗工作面布置

本次試驗的地點初步定為硯北煤礦250206上的工作面運輸巷，工作面的傾向長為200m，走向長為2 000m[2]。工作面地處于5號煤層的中間地帶，頂部和底部均有十米左右的頂煤或底煤[3]；位于其東邊的是預留了7.6m小煤柱的另一工作面，而西部就是煤層了。工作面的高度為1 039～1 157m，運輸巷的埋藏深度為410m，具體情況見下頁圖1。

5　對煤柱寬度的計算

圖1　實驗布置圖

區域煤柱的最佳尺寸就是在受到工作面回采的影響時，煤柱可以保持穩定的最小尺寸，而限制巷道縫隙與采空區縫隙的聯通以及煤柱抗壓強度極限大于受到開采影響時產前側向支撐壓力的峰值則是保持煤柱穩定的基本條件，也就是要做到煤柱一定要留存一些保持寬度的彈性區間。

煤柱抗壓強度的極限的計算方式如下：

式中：η是煤層的流變系數，取0.38；σc是煤層試塊的抗壓強度[4]，取17.37MPa。按照煤巷的應力平衡理論，煤柱的最小寬度計算方法為：

式中，B是煤柱的寬度，m；x1是煤柱的塑性區寬度，m；x2是錨桿插入煤柱的深度，取2.2m；x3是安全寬度，為 0.15（x1+x2）；m 是煤層厚度，取 15.6m；A 是側壓系數，取 0.4；C0是煤層內聚力，取 6.34MPa；φ0是煤層內摩擦角，取25.2°；Px是支護強度[5]，取0.3 MPa。

根據硯北煤礦自身煤層的特點以及物理學原理，計算出的最小寬度為7.31m。

6　計算結果分析

根據硯北煤礦的巖性特點和剛才計算得出的數值，建立FLAC3D模擬數值模型，見表2。

為了對煤柱寬度不同而造成煤巖變形程度不同進行詳細分析，特選取煤柱寬度為3m、5m、10m、15m、30m五種方法，結果見圖2。

表2　硯北煤礦不同性質FLAC3D模擬數值基礎表

圖2　煤柱寬度與巷道圍巖變形的關系

在對煤礦煤巖層的數值進行分析時，應以煤層柱狀圖及物力學參數為依據，構建FLAC3D數值模擬模型，為了確保能夠完成對煤柱不同寬度區域內的煤巖受力變形情況進行分析，煤柱的寬度應分別設置為3m、5m、10m、15m、30m，對不同的煤柱寬度分別進行計算，煤柱寬度與巷道圍巖變形的關系如圖2所示，通過對圖2中的數據進行分析可知，煤柱的尺寸會隨著巷道變形而發生變化，煤柱尺寸越小，巷道的變形量越大。在煤柱寬度為5m時，與寬度為10m進行對比，可知巷道頂板的下沉量會隨時增加，而兩側的移近量呈現出減少趨勢，煤柱內部會遭受到嚴重的剪切及破壞。以上研究結果表明，模擬分析結果與標準的結果相符合，在選擇煤柱寬度時，以10m左右為最佳。

7　現場分析

粗略來看，在工作面上按照計算得出的7.6m預留煤柱，巷道變形不明顯，頂層煤層不坍落，實驗基本成功。

若想得出比較準確的數據，監測站的布置必不可少，而布置監測站的時候，一定要按照相應的規定進行，而且因為初期支護時的變形程度高，每天監測的頻次必須要高于四次，檢測結果的反饋一定要及時。若是發現圍巖劇烈變形。一定要立刻將一切工程停止并分析原因，爭取找出解決方案。通過在工作面巷道內設立的7個監測站檢測錨桿的受力情況和煤柱應力，分析出三點情況：第一，小煤柱之中有一個應力峰值區域，其位置基本不發生改變，距離側壁大約3m，在工作面不斷前進時，峰值右側2m的應力升高，達到最大之后回落，說明煤體經歷了彈性形變和塑性形變兩種方式。第二，小煤柱的應力峰值兩側應力降低速度快且明顯，這標志著巖層運動對于煤柱的影響已經完成。第三，峰值區左邊煤柱應力高于右邊，意味著支護形式和參數的合理選用對煤柱的強度有所加強。

[1]王剛.厚煤層綜采放頂煤工藝區段煤柱采用小煤柱技術創新[J].現代企業，2016（9）：65-66.

[2]韋全軍，張曉波.3310綜采工作面小煤柱補強技術創新[J].科技傳播，2013（3）：119.

[3]楊英明.動力擾動下深部高應力煤體沖擊失穩機理及防治技術研究[D].北京：中國礦業大學，2016.

[4]宋平.斜溝礦厚煤層錯層位外錯式沿空掘巷與支護技術研究[D].北京：中國礦業大學，2016.

[5]牛建立.煤層底板采動巖水耦合作用與高承壓水體上安全開采技術研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2008.