工作面小煤柱寬度預留方案及支護設計

冀 峰，張晨光

（1.晉能控股煤業(yè)集團恒泰皇后煤業(yè)，山西 陽泉 045100；2.山西煤炭運銷集團科學技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030006）

1 15108工作面概述

15108工作面北部為15102工作面采空區(qū)，東部為采區(qū)上山巷道，南部為15104工作面采空區(qū)，工作面呈東西走向布置。15108工作面回風、運輸順槽長度為946 m，開切眼長度為186 m。

15108工作面回采煤層為15號層，平均厚度為7.5m，平均傾角為4°。15號層存在偽頂，主要以薄層泥巖為主，平均厚度為0.3 m，隨著工作面回采逐漸脫落；直接頂主要以K2石灰?guī)r為主，平均厚度為2.9m；基本頂主要以石灰?guī)r為主，平均厚度為11.8 m。

為了提高工作面煤柱回采效率，皇后煤業(yè)通過技術(shù)研究決定對15108工作面采取預留小煤柱布置方式，但是通過鄰近工作面回采現(xiàn)狀來看，開采過程中由于受回采應力影響，回采工作面和巷道容易發(fā)生變形或破壞，造成頂板下沉和垮落、底鼓、片幫、支架變形損壞、工作面冒落等現(xiàn)象。因此，15108工作面預留小煤柱時必須合理確定小煤柱寬度，并對小煤柱巷道采取合理有效的支護措施。

2 15108順槽小煤柱寬度預留方案分析

2.1 工作面應力分布規(guī)律

通過采用限元數(shù)值模擬軟件FLAC3D來模擬分析研究15108工作面沿空掘巷煤柱的變形破壞特征和巷道圍巖的應力分布特征，如圖1所示。

圖1 15108工作面應力（Pa）分布云圖

1）由圖1可知，在15102工作面、15104工作面回采完畢后，15108工作面處于孤立狀態(tài)，受兩側(cè)采空區(qū)頂板下沉破壞作用，在15108工作面煤柱兩側(cè)邊緣形成了側(cè)向支撐應力，由于15108工作面較長，兩側(cè)支承應力未完全傳遞至疊加區(qū)，相互之間影響不大。

2）從圖1中可以看出，15108工作面所受的垂直應力整體呈現(xiàn)“馬鞍形”，在距兩側(cè)采空區(qū)0～10 m范圍內(nèi)所受的應力相對較小，在10～30 m范圍煤柱所受應力最大，而在30 m以外煤柱基本不受應力影響，因此，小煤柱應布置在距采空區(qū)0～10 m范圍內(nèi)。

2.2 小煤柱寬度確定

根據(jù)皇后礦15108工作面的地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬將煤柱寬度當作單一變量進行計算，分析其合理性，建立孤島工作面合理煤柱寬度數(shù)值模擬計算模型，在其他條件相同的情況下，模擬煤柱的寬度分別為4 m、8 m、12 m、15 m，總共4個方案，如圖2所示。

由圖2可知：

圖2 預留不同煤柱寬度下圍巖最大主應力分布云圖

1）隨著小煤柱寬度增加，煤柱所受內(nèi)應力逐漸增大，且最大內(nèi)應力以位于煤柱中部為主，當煤柱寬度增加后，最大內(nèi)應力向中部移動，距巷幫以及采空區(qū)距離逐漸增大；

2）當煤柱寬度為4～8 m時，煤柱幫大范圍的破壞使其承載能力很低，實體煤幫承擔著絕大部分的頂板壓力，主應力呈實體煤幫高、煤柱幫低分布；

3）隨著煤柱寬度增大，煤柱承載能力大幅提高，高應力開始向煤柱幫轉(zhuǎn)移，當煤柱寬度為8～12 m時，主應力呈煤柱幫高、實體煤幫低分布，此時，巷道整體處于高主應力狀態(tài)；

4）當煤柱寬度達到12 m以上時，采動影響主要集中在靠采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)，煤柱內(nèi)主應力呈不對稱雙峰布置。

因此，要提高小煤柱承載能力，避免回采應力、采空區(qū)殘余應力對小煤柱沖擊破壞作用，小煤柱必須位于小應力區(qū)域內(nèi)，以避免在高應力狀態(tài)下煤柱出現(xiàn)塑性流變破壞現(xiàn)象，最終根據(jù)煤柱內(nèi)應力分布及影響分析，確定了小煤柱寬度為8.0 m。

3 小煤柱巷道支護設計

15108工作面順槽掘進斷面尺寸為寬4.6 m、高3.1 m，為了保證巷道圍巖穩(wěn)定性，決定采用“錨桿+錨索+鋼筋焊結(jié)網(wǎng)+鐵絲網(wǎng)+W鋼帶”聯(lián)合支護技術(shù)。

1）頂板錨索：錨索材料為Ф17.8 mm、17股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度為6 200 mm，鉆孔深度為6 000 mm，外露150～250 mm；錨索排距為900 mm，每排5根，間距為1 000 mm，垂直頂板布置。

2）幫部錨桿：采用規(guī)格為Ф20 mm×2 000 mm的左旋螺紋鋼（25MnSi），幫錨桿鉆孔深度1 950 mm，外露50 mm，排距900 mm，間距800 mm，每排4根錨桿，垂直巷幫布置，最大偏差角度不大于5°，如圖3所示。

圖3 15108順槽頂板支護斷面、平面示意圖（mm）

3）網(wǎng)規(guī)格：頂網(wǎng)采用Ф6 mm的鋼筋網(wǎng)進行護頂，網(wǎng)片規(guī)格為6 000 mm×1 200 mm；幫網(wǎng)采用10號鐵絲的菱形網(wǎng)材料，網(wǎng)孔規(guī)格為30 mm×30 mm，網(wǎng)片規(guī)格為2 800 mm×1 000 mm；網(wǎng)片采用搭接方式進行連接。

4）承載機構(gòu)：鋼筋托梁采用Q235鋼筋焊接而成，鋼筋直徑為10 mm，每排由3個鋼筋托梁搭接而成，每個鋼筋托梁長度為1 000 mm，寬度為100 mm；W鋼帶寬度為220mm，厚度為4mm，長度為4500mm。

4 結(jié)語

截止目前15108工作面已回采到位，與常規(guī)工作面進行對比分析，取得了顯著應用成效：

1）通過對工作面煤柱內(nèi)應力分布進行分析，合理確定小煤柱寬度后，工作面在后期回采過程中，位于采空區(qū)側(cè)巷幫煤柱未出現(xiàn)片幫、收縮等現(xiàn)象，保證了工作面后期安全回采；

2）15108工作面采取小煤柱回采后，工作面可多回收原煤產(chǎn)量達14.8萬t，增加工作面經(jīng)濟效益達4 200余萬元，同時減少了采空區(qū)遺煤量，避免了采空區(qū)出現(xiàn)煤層自燃現(xiàn)象，加強了采空區(qū)安全管理。