特厚煤層孤島工作面回采巷道區段煤柱寬度研究

馬 賽

(晉能控股煤業集團 浙能麻家梁煤業有限公司，山西 朔州 036000)

麻家梁煤礦位于朔南礦區南部，礦井工作面區段煤柱寬度為38 m，回采期間巷道礦壓顯現強烈，巷道發生劇烈變形[1-2]，嚴重影響了工作面的安全，制約了礦井高產高效開采。為解決巷道的維護問題，除了首先改進巷道支護方式以外，而更重要的應從巷道的合理區段煤柱寬度入手，盡可能地降低巷道的圍巖應力，才能從根本上改善巷道的維護狀況。因此，研究特厚煤層綜放工作面回采巷道區段煤柱寬度，對控制臨空巷道圍巖變形、實現礦井安全高效開采具有重要意義[3-4]。

1 工程概況

14203-1綜放工作面位于井田二采區的東部，為孤島工作面。工作面北部為二采區4條盤區大巷，西部為14204工作面采空區，南部為實體煤，東部為14202工作面采空區。工作面采用一進一回兩巷布置，14203-1膠帶運輸巷和14203-1輔助運輸巷均沿煤層底板掘進。其中，該工作面早期掘進完成一條輔助運輸巷(14203輔助運輸巷)，與14202工作面區段煤柱寬度為19.5 m。14202工作面回采期間，受采動礦壓影響，14203輔助運輸巷里程900 m以里變形嚴重。14203-1膠帶運輸巷采用小煤柱沿空掘巷技術，煤柱寬度為7 m。現以14203-1輔助運輸巷區段煤柱寬度為對象進行研究。工作面布置如圖1所示。

圖1 14203-1工作面布置平面圖

工作面主采二疊系山西組4號煤層，煤層平均埋深600 m，全煤厚度6.25～12.23 m，平均9.24 m，煤層結構復雜，含夾矸1～4層，夾矸厚0.02～0.82 m，夾矸巖性為黑色高嶺巖、褐灰色高嶺質泥巖、灰黑色炭質泥巖。直接頂為砂質泥巖，厚度為7.64 m；基本頂為中粒砂巖，厚度為7.26 m；直接底為高嶺質泥巖，厚度為1.37 m，老底為細砂巖，厚度為5.51 m。

為進一步了解14203-1輔助運輸巷的應力環境，在工作面附近已掘巷道中選取兩個測點采用水壓致裂法進行原巖應力測量，第一測點和第二測點分別布置在14204輔助運輸巷2 620 m和2 800 m處(14204輔助運輸巷掘進期間測定)。原巖應力測試結果分析如下：第一測點最大水平主應力為22.50 MPa，最小水平主應力為11.60 MPa，垂直應力為15.78 MPa；第二測點最大水平主應力為26.26 MPa，最小水平主應力為13.39 MPa，垂直應力為15.80 MPa；根據科研報告可知：低應力區范圍為0～10 MPa，中等應力區范圍為10～18 MPa，高應力區范圍為18～30 MPa，超高應力區范圍為大于30 MPa。所以，測試范圍內的原巖應力場在量值上屬于高應力區。

2 工作面回采巷道區段煤柱寬度確定原則

區段煤柱寬度確定需要考慮回采工作面周圍支承壓力分布規律，工作面采動造成的支承應力危害同系煤層的巷道穩定，減弱、避開支承應力的影響，以達到巷道穩定性改善的目的，是確定區段煤柱寬度的基本準則。具體如下：

1) 有效控制巷道圍巖變形，保證巷道安全。回采巷道擔負的工作面運輸、通風、排水、行人、動力供應等任務，需要確保圍巖得到控制，煤柱寬度必須將巷道布置在有利的應力環境，確保安全。

2) 緩解二采區接替緊張局面。14203輔助運輸巷已到位，與14202工作面區段煤柱為19.5 m，受14202工作面采動影響，里程900 m以里變形嚴重。由于二采區采掘銜接緊張，需要利用14203輔助運輸巷未變形區域，減少圈面時間。

3) 提高采區回采率。14203-1工作面為孤島工作面，工作面布置長度有限，縮短區段煤柱寬度等效為增大工作面傾斜長度。提高工作面采出率可以延長礦井服務年限，實現可持續發展，有利于礦井安全高產高效。

基于以上原則，結合14203-1工作面現場情況，決定14203-1輔助運輸巷利用14203輔助運輸巷充當卸壓巷，然后向工作面方向拐刀把掘進新巷道，巷道布置如圖2所示。

圖2 14203-1工作面回采巷道布置方式圖

3 工作面回采巷道區段煤柱寬度確定

在巷道一側布置卸壓巷硐的原理是在回采巷道與采空區之間的區段煤柱中再掘進出一條巷道，將區段煤柱一分為二，形成的小煤柱是讓壓煤柱，大煤柱是承載煤柱，巷道周圍的支承應力分布規律如圖3所示，卸壓巷道能夠吸收承載煤柱在高應力作用下產生的大變形，使被保護巷道圍巖變形量減少70%～90%.

圖3 卸壓巷布置及應力分布圖

卸壓巷道能否起到卸壓效果，主要在于3個關鍵參數的選取是否合理：卸壓巷道的尺寸d，支承煤柱的尺寸Lu，讓壓煤柱的尺寸Ln，卸壓巷道要具備相應的空間能夠使支承煤柱充分破壞、變形。

14203輔助運輸巷(卸壓巷)寬度d=5 m，與14202采空區區段煤柱(支承煤柱)寬度Lu=19.5 m，需要確定讓壓煤柱的寬度Ln。

1) 讓壓煤柱上的總荷載，計算如下：

P=LpγH

(1)

(2)

式中：γ為上覆巖層的體積力，取25 kN/m3；H為巷道埋深，取600 m；b為巷道寬度，取5.5 m。

2) 讓壓煤柱承受的極限荷載，計算如下：

Q=LnR(Ln/M)2/3

(3)

式中：R為讓壓煤柱的極限抗壓強度，取10 MPa；M為卸壓巷高度，取3.8 m。

3) 讓壓煤柱寬度，計算如下：

Q=kP

(4)

式中：k為工作面超前支承壓力集中系數，取3。

聯立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可求得讓壓煤柱的寬度Ln=3.8 m，結合幫部錨索施工需要取Ln=5 m。14203-1輔助運輸巷與卸壓巷(14203輔助運輸巷)間的煤柱寬度取為5 m。

4 現場應用

14203-1輔助運輸巷采用“錨桿+W鋼帶+錨索+JW鋼帶+金屬網”耦合支護方案，在巷道圍巖內形成連續、穩定承載結構，支護斷面如圖4所示。

圖4 14203-1輔助運輸巷支護斷面圖(mm)

巷道圍巖變形量是衡量巷道礦壓顯現程度的重要指標。為及時掌握巷道圍巖控制效果，掘進期間重點對圍巖表面位移和頂板離層進行觀測，礦壓監測結果如圖5和圖6所示。

圖5 巷道表面位移監測曲線

圖6 巷道頂板離層監測曲線

監測結果表明：14203-1輔助運輸巷從掘進到穩定兩幫最大移近量為142 mm，頂底板最大移近量為243 mm，兩幫最大移近速率15 mm/d，頂底板最大移近速率26 mm/d，巷道開挖初期圍巖變形較快，之后逐漸減小，11 d后巷道變形速率平緩；巷道頂板離層深基點離層值最大為36 mm，淺基點離層值最大為25 mm，淺基點與深基點之間離層值最大為11 mm，且離層量小，在可控范圍內。

5 結 語

1) 根據在巷道一側布置卸壓巷的原理計算出讓壓煤柱寬度為3.8 m，同時結合現場煤柱側施工錨索需要，確定讓壓煤柱的合理寬度為5 m，同時也為治理巷道圍巖變形提供了一種治理手段。

2) 14203-1輔助運輸巷合理的區段煤柱寬度及圍巖控制技術能夠滿足生產需求，保證了巷道圍巖安全，提高了工作面煤炭資源采出率，為礦井及朔南礦區后續孤島工作面的巷道布置提供了理論依據。