某煤礦3411工作面窄煤柱留設可行性分析

關玉虎

(霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦)

在工作面回采之前掘進回采巷道，即下區段工作面回采巷道的沿空掘進與上區段工作面的回采同時進行，既可以在有效解決工作面接續緊張問題的同時避免孤島工作面的產生，又能使得煤炭資源的回收率得以有效提高，因此，該施工方法得到了廣泛應用[1-4]。但下區段巷道要經過多次采用影響，區段煤柱的留設寬度顯得尤為重要，相關研究表明[5-7]，煤柱寬度大于35 m時，對下區段巷道的影響較小，但煤炭資源損失較為嚴重，如何合理確定區段煤柱尺寸，最大限度降低巷道采動影響，同時減小煤炭資源損失，就顯得尤為重要[8-10]。某礦在結合上述研究成果及工作面生產條件的情況下，將3411工作面與3408工作面之間的煤柱寬度設定為10 m，本研究對巷道變形特征進行分析，論證該煤柱留設方案的合理性。

1 工程概況

某煤礦3411工作面運輸順槽位于3上煤層東四采區-480 m水平，3上煤層平均采深為300 m，呈一單斜構造，煤層傾角為0°～12.5°，3411工作面運輸順槽沿3上煤層底板掘進，總長為1 522 m。3411工作面位于東四采區南部，北部為3407工作面采空區，南部為3408生產工作面。3411運巷在掘進過程中將受到3408工作面回采動壓的影響。受到相鄰工作面回采后采空區上覆巖層劇烈活動的影響，在臨空側實體煤層一定范圍內產生了不同程度的應力集中區[1-3]。應力集中區可分為應力降低區(實體煤側10 m以內)、增高區(煤體內11～35 m)和原巖應力區。根據沿空掘巷的設計原則，為優化沿空巷道的應力環境，盡可能提高煤炭資源的回收率，將保護煤柱寬度設計為10 m。

2 礦壓觀測方案

3411工作面運輸巷礦壓觀測的測站布置如圖1所示。沿3411工作面運輸巷掘進方向，依次布置3個觀測面(編號為1#、2#、3#)，各觀測站相距30 m。在每個觀測站斷面的巷道頂板錨桿(索)和兩幫錨桿上各安裝1臺錨桿(索)測力計，觀測錨桿受力狀況，測力計(測點)分布如圖2所示。

圖1 測站布置

圖2 巷道觀測斷面錨桿受力監測點

位移測點采用“十字布點法”布置。在兩幫巷道高度中部位置以及巷道頂底板中部設置基準線[11-12]。用普通鋼卷尺、激光測距儀等測量工具對巷道的頂中、中底、東中、西中等距離進行測量，并記錄數據。測量巷道兩幫及巷道頂底板到基準線的距離，巷道設計距離與測量距離的差值即為巷道變形量。

3 觀測結果分析

3.1 錨桿(索)受力分析

3.1.1 實體煤側錨桿

實體煤側錨桿應力隨工作面推進的變化曲線見圖3。由圖3可知：沿空巷道在與工作面相距約50 m 時，錨桿應力開始增大，當沿空巷道掘進至工作面后方100 m后，錨桿應力逐漸趨于穩定。其中1#斷面錨桿最大應力為70.5 MPa，恰好處于斷層附近，構造應力大；2#斷面錨桿最大應力為39.4 MPa；3#斷面錨桿最大應力為35.3 MPa，3#斷面錨桿的應力最大值位于沿空巷道掘進至工作面后方25 m左右。可見，沿空巷道實體煤幫中上部錨桿受力較大，說明沿空巷道實體幫中上部圍巖應力集中程度較高。

圖3 實體側錨桿應力變化曲線

3.1.2 頂板錨桿(索)

巷道頂板錨桿(索)應力隨工作面推進距離的變化曲線見圖4。分析圖4可知：在距離工作面前方25 m到距工作面后方50 m左右，錨桿應力變化劇烈，而后逐漸趨于穩定。其中，1#斷面錨桿最大應力為46.3 MPa，錨索最大應力為58.4 MPa；2#斷面錨桿最大應力為51.2 MPa，錨索最大應力為64.6 MPa；3#斷面錨桿最大應力為41.2 MPa，錨索最大應力為65.8 MPa。總體上，靠近沿空側的頂板錨桿(索)受力較大，說明巷道頂板圍巖在沿空側應力集中程度較高。

圖4 頂板錨桿(索)應力變化曲線

3.1.3 沿空側錨桿

巷道沿空幫錨桿應力隨工作面推進的變化曲線見圖5。由圖5可知：在距工作面前方50 m左右時，錨桿應力開始增大，距工作面后方100 m后有略微減小趨勢。其中，1#斷面錨桿最大應力為51.5 MPa，2#斷面錨桿最大應力為63.4 MPa，3#斷面錨桿最大應力為68.7 MPa。巷道沿空幫中下部錨桿受力較大，說明巷道沿空側中下部圍巖應力集中程度較高。

3.2 巷道位移量分析

當3408工作面未采過1#斷面時，巷道變形量較小，當該工作面采過該斷面后，巷道變形量隨著工作面推進距離的增加呈線性增長，在回采面通過該斷面8～30 m時，巷道變形量較大，當該斷面距3804工作面大于100 m后，巷道變形趨于穩定。在工作面回采經過1#斷面時，工作面上覆頂板活動劇烈產生持續下沉現象，在此階段巷道圍巖變形量較大，受斷層影響較大。巷道沿空幫變形量較大，且巷幫下部>上部>中部，巷幫中部最大變形量為265.2 mm；巷道實體側巷幫變形量相對較小，且巷幫上部>下部>中部，最大變形量為92.4 mm，巷道頂板下沉量較大，最大變形量為274.2 mm，巷道底鼓量較小，且隨著工作面的推進變化較小。

圖5 沿空側錨桿應力變化曲線

當3408工作面未采過2#斷面時，巷道變形量較小，當3408工作面采過該斷面時，巷道變形量隨著工作面推進距離的增加呈線性增長，當該斷面距離工作面超過92 m后，巷道變形趨于穩定。2#測站頂板最大位移量為100 mm，位于靠近空幫的一側，頂板最大下降速率為10 mm/d。巷道沿空幫變形量較大，在巷道沿空幫頂、中、底部變形相差較大，且巷幫下部>上部>中部，最大變形量為305.2 mm，最大變形速率為10 mm/d；巷道實體側巷幫變形量相對較小，且巷幫上部>下部>中部，最大變形量為94.5 mm；巷道頂板下沉量較大，最大變形量為285.3 mm；巷道底鼓量較小，且隨著工作面的推進變化較小。

當3408工作面未采過3#斷面時，巷道變形量較小，當3408工作面采過該斷面時，巷道變形量隨著工作面推進距離的增加呈線性增長，兩幫的位移上、中、下相差較小，最大值為425 mm，發生于巷道下部，最大變形速率為15 mm/d，當該工作面推采面過斷面10～30 m時，巷道變形量較大，當該斷面距工作面87 m后，巷道變形趨于穩定。沿空側巷幫變形量較大，且巷幫下部>上部>中部，最大變形量為332.4 mm；巷道實體側巷幫變形量相對較小，且巷幫上部>中部>下部，最大變形量為92.4 mm；巷道頂板下沉量較大，最大變形量為310.2 mm；巷道底鼓量較小，且隨著工作面的推進變化較小。

綜上分析，可知3411運輸順槽頂板巖層在3408工作面回采期間并未出現明顯的離層現象，也未出現明顯的持續變形發展趨勢。通過進行必要的支護后，護巷窄煤柱未出現整體片幫和頂板垮塌現象，3411工作面運輸順槽的圍巖變形控制基本達到了預期效果。可見，隨著工作面的推進，巷道變形量逐漸趨于穩定，變形量基本可以滿足安全生產要求，說明在相向采掘過程中，巷道表面位移得到了有效控制，在進行適當的支護條件下，本研究設計的10 m 寬煤柱尺寸是行之有效的。

4 結 語

為最大限度降低巷道采動影響，減小煤炭資源損失，某煤礦3411工作面與3408工作面之間留設了10 m寬的窄煤柱。通過進行巷道礦壓觀測，認為該煤柱留設尺寸較合理。