復采煤層L型工作面末采煤柱留設及加固技術研究

楊文平

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業有限責任公司，山西 河津 043300）

殘煤復采較正規煤層開采技術難度大，存在一些不確定因素，如頂板未冒落、存在空洞、內部有積水或其他有毒有害氣體等；或是已冒落或局部冒落，但未形成再生頂板；或冒落矸石松散堆積，在復采過程中存在頂板不穩定、壓力集中等現象。以上情形均會給工作面末采煤柱留設和巷道維護帶來較大不確定性。

霍州煤電薛虎溝煤業2-106工作面為復采煤層L型工作面，分2-106A和2-106B兩個工作面。2-106B回采面設計與106A2巷間留設80m保護煤柱。為了盡可能多地回收煤炭資源，提高采區回收率，確保工作面的回采推進速度，對2-106B末采煤柱尺寸留設及巷道圍巖加固技術進行了研究，確保在滿足礦井安全生產條件下，最大限度地采出煤炭資源。

1 概況

2-106回采工作面設計為“L”型，如圖1所示，分2-106A和2-106B聯合布置。2-106A沿2#煤層走向布置，走向長度790m，工作面長度200m；2-106B沿2#煤層傾向布置，傾向長度470m，工作面長度230m。2-106A面接替2-106B面回采，2-106B面采用傾向長壁后退式開采，2-106A面采用走向長壁后退式開采。2-106A1巷設計790m，采用29U型鋼棚支護，棚距0.8m，巷道斷面為三心拱斷面。2-106A2巷前560m巷道斷面為三心拱斷面，采用29U型鋼棚支護，棚距0.8m，后部230m巷道斷面為梯形，采用12#礦工鋼棚支護，棚距0.6m。后部230m巷道揭露小煤窯空巷、采空區5個，影響長度67m。2-106B工作面的整體開采區域主要針對殘煤進行二次開采，而且在作業過程中需要盡量減少房柱破壞后所造成的影響。因此需要對煤層的高度進行調整，保證工作面整體的傾斜性，并且還要保證傾斜角度與傾斜導向。工作面地面標高730～870m，底板標高666～684m，工作面埋深60～186m，頂底板巖性如表1所示。

表1 2-106B工作面頂底板情況

圖1 2-106工作面布置圖

2 106回采工作面礦壓規律監測

為了獲得2-106B回采工作面超前支承壓力影響范圍以及頂板應力集中系數，在2-106B回采工作面的前方煤體80m處布置了2個監測斷面（2個斷面間距20m，每個斷面安裝3個圍巖應力計，孔深分別為5m、10m、15m）。監測結果如圖2所示。

由圖2可知，2-106B回采工作面超前支承壓力影響范圍為18.4m，應力峰值點在5.6～7.5m范圍內，最大超前應力集中系數為2.61。

3 煤柱尺寸數值模擬計算

（1）建立具體模型

以2-106B工作面工程地質條件建立數值計算模型，模擬研究2-106B工作面推進方向停采煤柱應力和塑性區分布特征。模型尺寸為164.4m×20m×50m。考慮工作面在地層中所處的深度150m，地應力邊界條件根據實際測量結果進行施加，垂直應力3MPa。由于此區構造應力影響不明顯，水平應力1.11MPa，選用Mohr-Coulomb本構模型。模型除上部邊界自由外，其余邊界固定。關于煤層走向問題，需要針對煤層工作面的傾斜角度進行勘測，同時還要保證煤柱寬度在合理范圍內，盡量保證模型整體的平衡性。因此可以先針對2-106A2巷進行挖掘，在此過程中需要應用棚架、錨索以及單體柱等固體支架。等圍巖穩固后再開挖2-106B工作面。分別對不同煤柱寬度下沿工作面推進方向煤柱的垂直應力及塑性區分布情況進行分析。

圖2 圍巖應力計監測曲線圖

（2）垂直應力分布

根據煤柱的垂直分布情況對煤柱自身的穩定性進行分析，并且詳細記錄動態。當煤柱的留設保護寬度為25m時，不僅煤柱較為穩定，而且工作面周圍區域的結構形態也都較為穩定。當煤柱的留設保護寬度為20m時，煤柱自身的垂直應力能夠保持不變，但是工作面周圍區域的結構形態出現了一定的變化，非對稱拱形分布與集中垂直力初步形成，并且逐漸降低采空區周圍的穩定性。當煤柱的留設保護寬度為15m時，煤柱自身的垂直應力雖然有少許變化，但是沒有產生本質變化，而工作面周圍區域開始呈現出較為明顯的拱形分布變化，并且采空區與巷道附近的集中力逐漸縮小，最終影響到煤柱的穩定性。最后，當煤柱留設保護寬度為10m時，煤柱內部產生垂直力集中的現象，為5～7MPa之間，應力集中系數為1.6～2.3，整體呈現出非常明顯的拱形分布形式，煤柱穩定系數非常低。

（3）煤柱破壞狀態分布

根據相關研究能夠了解到，當煤柱產生不同程度的塑性破壞時，煤柱自身的寬度變化也會存在差異。當煤柱的留設保護寬度為25m時，煤柱的兩側會形成拉破壞與剪破壞，會對煤柱與周邊區域的穩定性造成影響，但是由于大部分未受到破壞，因此整體穩定性還算良好。當煤柱的留設保護寬度為20m時，煤柱所受到的應力會逐漸增大，并且逐漸破壞環境的穩定程度。當煤柱的留設保護寬度為15m時，煤柱承載的拉伸力與剪切力會貫穿整個煤柱，從而對整體結構進行破壞。當煤柱的留設保護寬度為10m時，煤柱整體結構已經被完全破壞，進而已經喪失了穩定性。

綜上所述，留設10m保護煤柱時，受工作面采動影響煤柱極易發生失穩，嚴重威脅礦井安全生產；留設15m保護煤柱時，煤柱穩定性受開采擾動依然較為明顯；而留設20m保護煤柱時，煤柱處于穩定臨界狀態。綜合考慮煤柱尺寸對礦井安全生產和經濟效益的影響，建議2-106B工作面停采保護煤柱采取加固措施后留設寬度為20m。

4 巷道補強加固技術方案

2-106A2巷道補強支護方式確定采用錨索+單體液壓支柱的方式，兩根錨索+工字鋼梁懸吊5架工字鋼梯形棚，同時，在梯形棚兩側各打一根單體液壓支柱。2-106A2巷道的超前支護措施是采用在兩架梯形棚中間的兩幫各補打一個單體支柱，在巷道中間偏右側補打一個單體支柱。如圖3、圖4所示。

5 應用情況

2-106回采工作面設計為“L”型，分2-106A和2-106B聯合布置。由于受小煤窯開采破壞，2-106A2巷上方多處為冒落矸石松散堆積且未形成再生頂板。為確保2-106A2巷在2-106A工作面回采期間的安全使用，初始設計留有80m保護煤柱。通過以上計算分析確定煤柱留設20m。對應106B工作面的230m巷道在末采前嚴格按照設計要求補強加固好。在工作面末采期間巷道支護狀況良好，只有局部3m范圍內靠煤柱側巷幫向外移動200～300mm，工字鋼梯形棚的棚腿變形嚴重，并與棚梁脫離。利用單體支柱代替棚腿進行二次補強支護，有效地控制了巷道圍巖的變形破壞，保證了106B工作面的順利末采。

2-106A 工作面推進期間，2-106A2巷超前支護采用在兩架梯形棚中間補打一梁三柱加強支護，梁采用π型鋼梁，單體支柱必須穿鞋，并保證初撐力，漏液或失效單體支柱應及時更換，加強工作面頂板和兩幫的管理。受2-106B工作面采動影響的230m巷道除了局部范圍出現頂板下沉和底鼓現象，其余范圍巷道圍巖狀態良好，完全能夠滿足安全回采正常使用需求。

末采煤柱采取加固措施后由初始設計的80m減小到20m，實際多回采60m煤柱，相應回收煤炭6.38萬t，多增加經濟收入3000多萬元，極大地提高了工作面煤炭回采率和經濟效益。

圖3 2-106A2巷支護施工平面圖

圖4 2-106A2巷支護施工剖面圖

6 結論

（1）工作面礦壓規律監測結果表明2-106B回采工作面超前支承壓力影響范圍為18.4m，應力峰值點在5.6～7.5m范圍內，最大超前應力集中系數為2.61。

（2）利用數值模擬對2-106B回采工作面護巷煤柱留設尺寸進行了計算，模擬結果表明，留設20m護巷煤柱時，煤柱處于穩定臨界狀態。

（3）2-106A2巷道補強采用錨索+單體液壓支柱的支護方式，兩根錨索+工字鋼梁懸吊5架工字鋼梯形棚，能夠滿足安全生產需要。

（4）末采煤柱采取加固措施后由初始設計的80m減小到20m，實際多回采60m煤柱，相應回收煤炭6.38萬t，多增加經濟收入3000多萬元，極大地提高了工作面煤炭回采率和經濟效益。