綜放工作面巷道煤柱留設控制技術的探究

王 偉

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦， 山西 晉城 048006）

引言

工作面保護煤柱的尺寸大小，是檢驗一個礦井資源回收率和精細化開采效率的重要標準。受不同礦井水文地質條件、井田布置方式及煤層理化性質的影響，煤柱留設彼此之間存在很大差異，借鑒性不強。煤柱尺寸過小容易造成頂板圍巖承載能力不足，引發一系列頂板事故，而煤柱留設過大又容易導致資源浪費。因此非常有必要對工作面煤柱留設的合理尺寸進行研究，提高礦井精細化開采水平。

1 岳城煤礦3 號煤層概況及其在回采中存在問題

岳城煤礦主采3 號煤層，煤層平均厚度5.75 m，煤層及直接頂、底板強度均較低。該礦采面為多巷布置，相鄰巷間煤柱為50 m。1306 工作面為該礦一盤區第六個工作面，工作面東部為工作面東部為主回風井，西部為西翼盤區，北部為膠帶大巷，南部為礦井保護煤柱。工作面原煤柱尺寸為15 m，工作面順槽巷道沿頂底板掘進，最大巷道斷面為28 m2左右。工作面超前加強支護采用木垛梁及液壓單體支柱，其煤巖基本情況如表1 所示。

表1 煤巖結構及巖性特征

巷道局部地段處于奧灰水位以下。工作面絕對瓦斯涌出量0.65～1.55 m3/min，相對瓦斯涌出量0.45～0.85 m3/t，絕對二氧化碳涌出量0.35～0.74 m3/min，相對二氧化碳涌出量0.26～0.55 m3/t，瓦斯含量4.15～6.15 m3/t。屬低瓦斯工作面。

工作面回采至距停采線450 m 時，回采巷道頂底板及兩幫圍巖出現不同程度變形，頂板破碎并形成網包，最大網包下沉量達到80 mm，超前支護段底鼓，底板破裂，造成部分單體柱失效傾倒，出現“吊柱”現象，巷道兩幫也出現不同程度網包，并伴有間歇性煤炮聲。

2 原因分析

回采巷道煤柱留設失效主要包括如下原因：一是巷道基本支護失效，即原錨網梁支護或架棚支護失效，造成巷道圍巖整體失穩；二是加強支護失效，即后期補打錨索或套棚支護不能受力，降低巷道補強效果；三是煤柱支護失效，即保護煤柱因設計、煤質條件即頂板來壓等原因失穩（如圖1-1），出現不同程度損壞甚至煤柱坍塌（如圖1-2），其破壞過程如圖1 所示。

圖1 護巷煤柱支護失效與整體垮塌示意圖

3 小煤柱尺寸模擬

利用FLAC3D 數值軟件建立岳城煤礦采場數值模型，參數設置見表2。

表2 岳城煤礦采場數值模型參數設置

模擬按照理論計算值域，煤柱留設尺寸分為10 m、8 m、6 m、4 m 四種工況，各種工況條件下垂直應力分布云圖如圖2 所示。

圖2-1：當留設煤柱寬度在10 m 左右時，中央彈性核寬度為13.95 m；煤柱應力較為集中，主要原因為側向支承壓力疊加。

圖2-2：當留設煤柱寬度在8 m 左右時，中央彈性核寬度為3.02 m；此時煤柱應力集中程度減小，彈性核減小，說明側向支承壓力疊加效果進一步明顯。

圖2 不同尺寸煤柱垂直應力（Pa）分布云圖

圖2-3：當留設煤柱寬度在6 m 左右時，中央彈性核寬度為0 m，說明此時煤柱彈性核消失，煤柱支撐力達到臨界值。

圖2-4：當留設煤柱寬度在4 m 左右時，中央彈性核寬度不再變化，說明此時側向支承壓力向煤體深部轉移，煤柱臨界值為6 m 左右。

4 圍巖控制方案

4.1 淺掘強化

根據現場工作面圍巖特性，采用淺掘深、輕擾動圍巖的掘進方式，要求掘進機減少一次進深，提高截割頭轉數，降低截割頭移動速度，初期進深暫定0.8 m，試驗中依據圍巖完整性及齒痕狀況，作相應調整。同時在頂板及兩幫施工全黏結式錨桿（索），試驗中依據圍巖完整性及其活動監測，相應調整支護參數。

4.2 封強底板

底板強固包括清底、錨固、澆筑人工底板等工序。即在工作面采動影響未到來之前對巷道底板施設底板錨桿進行加固，保證巷道底板巖層的整體塑性。錨桿采用1.5 m 長的全黏結式錨桿，間排距均為1.0 m，垂直底板打設。同時在底板鋪設底板金屬網，并在金屬網上澆筑混凝土，構成人工鋼筋混凝土底板。無載荷人工底板厚50 mm，載荷底板厚200 mm、400 mm，依據荷載要求選擇確定。

4.3 護巷煤柱加固

護巷煤柱在正常巷道煤幫基礎上，將一排錨桿改為錨索，錨桿長2.4 m，錨索長4.3 m。采用現有錨桿（索），并實行全黏結式錨固形式，即需將錨余空間密封固結后，再安設錨桿（索）鎖具、托盤。煤柱兩側面鋼筋混凝土噴層厚度不小于50 mm，且與實體煤幫、鋼筋網、頂底板噴層緊密凝結。留巷側煤柱幫錨索在中間排，垂直巷道軸線，與煤層面上仰5°；在其上方與下方各布置一排錨桿，垂直巷道軸線，與煤層面平行。空區側煤柱幫錨索在最上排，垂直巷道軸線，與煤層面上仰5°；在其下方布置二排錨桿，垂直巷道軸線，與煤層面平行。

5 現場效果

在現場進行了為期三個月的工業性試驗，以2號橫川處工作面煤柱尺寸改變后的橫川處變化和底板變化為例，改造后的效果圖如圖3。

圖3 小煤柱整體視圖

由圖3 可以看出，試驗巷道段2 號橫川處現巷道保護煤柱尺寸為6 m，頂底板及兩幫采取超前加固措施后，工作面圍巖能夠保持整體塑性，頂底板、兩幫移近量均在設計要求之內，說明煤柱處于工作面側向移動支承壓力的應力降低區，在合理支護阻力下能夠保障圍巖在回采期間的穩定性。

6 結論

針對岳城煤礦主采3 號煤層賦存條件和工作面實際情況，分析了1306 工作面煤層巷道失穩的基本原因為支護煤體為松散結構，隨著時間推移和采動影響，松散結構逐漸擴大，導致錨桿（索）支護效果逐漸喪失，頂板發生局部破壞直至整體失穩，并針對性地設計了工作面留設6 m 保護煤柱的技術方案，現場結果表明，1306 工作面留設6.0 m 煤柱是可行的，煤柱處于工作面側向移動支承壓力的應力降低區，在合理支護阻力下，能夠保障圍巖在回采期間的穩定性。綜上研究表明，岳城煤礦綜采工作面留設小煤柱的技術方案是可行的，對于提高井田回采率、降低巷道修復工程量、緩解礦井生產接續等問題具有重要的指導意義。