小煤柱工作面安全開采與圍巖控制技術

董 建

（大同煤礦集團鐵峰煤業有限公司，山西 朔州037000）

綜放工作面布置過程中，為了確保采區內各準備巷道圍巖穩定，需要在工作面與臨近采空區間留置支承煤柱，該類支承煤柱在回采結束可進行部分回收。這類小煤柱工作面通常處于兩已采工作面的采空區中間，已采工作面回采會造成采區上覆巖層圍巖結構的破壞并改變礦壓顯現規律，為了確保殘留煤柱能夠順利回收，需要確定留置煤柱尺寸，頂板及配套巷道支護方案，以及其他主動圍巖控制技術的方案。本文根據現場生產經驗，通過數值模擬方法，對此技術進行了研究。

1 工作面概況

大同煤礦集團某礦小煤柱工作面，屬石炭系3號煤層，所屬煤層地質賦存條件良好，煤層厚度可達4.4～7.4 m，平均厚度能夠達到5.8 m，煤層走向平緩，煤層傾角僅為1°～3°，煤層存在1～4層以泥巖為主的夾矸層，該工作面走向長度能夠達到2 110 m，主采煤種為半暗型氣煤，預計可回收存量達到342萬t。工作面所處的3號煤層瓦斯相對相對涌出量0.57 m3/t、絕對涌出量3.42 m3/min，掘進面瓦斯相對涌出量2.00 m3/t、最大絕對涌出量0.44 m3/min，預計工作面開采過程中無瓦斯涌出危險。8113工作面巖層結構中直接頂為厚度在4.91 m的砂泥巖、煤泥巖，老頂為厚度約6.91 m的礫巖、中砂巖。

2 工作面留置煤柱尺寸的確定

2.1 鄰近工作面礦壓觀測

3號煤層中8113工作面臨近8111綜放工作面一側，附近8101工作面、8103工作面已完成回采工作。8101工作面頂板初次來壓步距25～30 m，正?；夭傻闹芷趤韷翰骄?5 m（見圖1）。8103工作面頂板初次來壓步距為20～25 m，而正常推進時周期來壓步距為20 m，局部伴隨有來壓現象顯現。

5103巷為8103工作面與8101采空區間的臨空巷道，受上覆巖層壓力與8101采空區懸梁殘余應力影響，造成巷道嚴重變形，部分斷面高度不足1.5 m，5103臨空巷以單體支柱配合密集木垛的方式進行圍巖控制，前期采用“三梁三柱”的布置方式，后期改為“五梁五柱”，其排距900 m，柱間距800 mm，木垛間距為6 m。

5103巷采用十字監測法布置巷道表面位移監測站，依照十字監測法測點的設置原則，測點應沿巷道中心位置的垂直與水平方向設置，各測點超前50 m布置，范圍內設置10個觀測斷層，采樣周期1 d/次。

2.2 FLAC2D數值模擬

以8113預采煤柱工作面的5113臨空巷構建FLAC2D數值模擬模型，其垂直應力隨8111工作面采空區間距離變化規律見下頁圖2所示。5113巷隨距離8111工作面采空區的間距，其垂直應力隨距采空區距離增加而不斷增加，到距離約20 m處時達到峰值38.6 MPa，再隨距離增加而開始下降，最終不斷趨近原巖應力值，而當距8111工作面距離0～9 m時，所需要的支承應力會小于原巖應力，同時結合實際情況，最終選取5113臨空巷留設煤柱尺寸為8 m。

圖2 5113巷側固定支撐壓力分布圖

3 臨空巷圍巖控制方案

3.1 巷道頂板管理

5113臨空巷頂板管理參照鄰近8103工作面對5103臨空巷處理經驗的基礎，除選擇單體支柱與密集木垛支護，對巷道頂板和兩幫采用“錨桿+錨索+鋼帶+鋼梁+金屬網+噴漿”的聯合支護方式。密集大范圍超前支護的布置方式與5103巷采用同樣的“五梁五柱”的布置方式，但密集支護的超前管理范圍由5103巷的50 m調整為300 m（詳細布置圖見圖3）。

圖3 5113巷超前支護斷面圖（mm）

“錨桿+錨索+鋼帶+鋼梁+金屬網+噴漿”的聯合支護方案的具體參數為：頂錨桿均選用Φ22 mm×3 000 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間距800 mm、排距1 800 mm；錨索選Φ21.8 mm×8 000 mm的鋼絞線，間距1 100 mm、排距1 800 mm。噴漿厚度為100 mm，混凝土標號為C20。工作面側錨桿均選用Φ20 mm×2 000 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間距900 mm、排距900 mm；煤柱側錨桿均選用Φ22 mm×3 000 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間距900 mm、排距900 mm，具體支護形式見圖4。

圖4 5113巷斷面圖及頂板支護俯視圖

3.2 水壓致裂弱化圍巖

3號層中8111工作面對頂板采用水壓致裂技術對頂板圍巖進行超前弱化處理，起到良好的應力消除效果，極大的改善了工作面內的臨空巷受上覆巖層與鄰近采空區殘余應力影響所造成的巷道斷面變形狀況。如果需要對8113工作面頂板進行水壓致裂弱化圍巖，需要使鉆孔分別穿過4.91 m厚煤層，和厚度6.91 m作為關鍵層的含礫粗砂巖層，結合該巖層性質在5113巷煤柱幫側設置水壓致裂鉆孔，孔深15 m，每排孔間距15 m。

圖5 5113巷致裂關鍵層示意圖（mm）

3.3 其他圍巖控制措施

1）小煤柱工作面開采過程中需要布置和開鑿調向硐室，為了確保5113臨空巷頂板穩定性，應保證調向硐室的開鑿不會留設煤柱的支護強度，應將調向硐室設置在工作面煤壁側。

2）由于小煤柱工作面仍采用一次采全高處置采空區，借鑒類似的開采經驗，回采過程需要采用大阻力支架，液壓支架工作阻力應大于13 000 kN，其中位于工作面尾部約20～25 m的頂板應力峰值區域應采用25個15 000 kN支架。

4 安全開采措施

8113工作面回采過程除頂板沖擊地壓和礦壓顯現等地質問題外，還存在工作面水害、有毒有害氣體、礦井火災等隱患。8113工作面相對鄰近8111工作面走向較低，且留置煤柱寬度8 m，由地質構造及裂隙發育會建立的水流流動通道，即8111工作面采空區一旦積水有很大可能會向8113工作面滲透。8113工作面回采過程自身會有瓦斯、CO等有害氣體析出，并且8113工作面局部采用負壓通風，8111臨近采空區內積聚的瓦斯、CO由于漏風通過留設煤柱滲透進入8113工作面。3號煤層中煤炭存在自燃傾向，8111工作面和8113工作面采空區都會由于采空區的漏風而發生遺煤自燃。

1）水患治理措施。工作面水害治理一方面在于減少積水，新工作面回采前提前在小煤柱內打孔放8111采空區積水。另一方面完成積水排放后，及時通過馬麗散等高分子材料對鉆孔和煤柱裂隙進行封堵，鉆孔封堵長度應確保＞5 m以上。

2）瓦斯治理措施。瓦斯治理在于一方面減少臨近采空區內有害氣體進入8113工作面內，一方面通過馬麗散對裂隙進行封堵，并對5113巷表面進行噴漿加固。另一方面加強8113工作面內局部通風管理，對易出現瓦斯、CO等有害氣體超限以及低氧問題的上隅角進行必要的導風、增加工作面供風量和均壓通風措施。

3）防滅火措施。8113工作面與8111工作面回采過程及時進行注氮防滅火措施，做到隨采隨注，使采空區深部氧含量下降到防火惰化指標以下，并確保800 m3/h以上的注氮量。當8111工作面停采撤架后及時對采空區和巷道進行密閉，需進行大量的泥漿灌注，并對密閉內設置溫度和氧濃度監控。一旦工作面和采空區到達自然發火期之前或有火災預兆，及時進行注氮和注漿措施進行火災防治。

5 結論

1）通過對8113工作面地質及賦存條件和已采工作面礦壓顯現規律的研究，結合生產實踐經驗，利用FLAC2D分析模型，確定了合理的留設煤柱尺寸。選用密集支柱配合“錨桿+錨索+鋼帶+鋼梁+金屬網+噴漿”聯合支護的方式對5113臨空巷進行頂板圍巖控制，并超前進行水壓致裂對工作面高應力區圍巖進行弱化處理，同時現場回采過程選取大工作阻力液壓支架確保生產安全平穩進行。

2）在布置8113等小煤柱工作面，預計可有效回收3號、5號、8號等各主采煤層邊角和殘留煤柱的原煤2495萬t。具有較好的經濟效益，也為類似工作面提供參考。