綜放工作面小煤柱沿空掘巷圍巖控制應用

王曉波，樊 帆

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司開拓一隊，山西 晉城 048200）

沿空掘巷是我國煤礦回采巷道布置和維護的一種技術，即在上區段工作面回采穩定以后，沿上區段采空區邊緣留窄煤柱掘進本區段工作面回采巷道[1-2]。相比區段之間留設寬煤柱，小煤柱沿空掘巷也可以有效隔斷采空區，若是小煤柱布置合理，巷道將處于低應力區，巷道穩定性更好，易于維護[3]。而沿空掘巷所留的窄煤柱不僅受到本工作面的超前采動支承壓力影響，而且還受到上區段的側向支承壓力影響，其破壞規律比較復雜，給回采巷道的支護和維護帶來了困難[4]。本文以潞新二礦工程地質條件為背景，開展小煤柱沿空掘巷圍巖控制研究，確定潞新二礦小煤柱沿空掘巷合理留設尺寸及支護參數。

1 工程概況

潞新二礦主采4 號煤層，煤層平均厚度7.37 m，傾角2°～7°，采用放頂煤開采，采放比1∶1.3，現煤礦在開采4 號煤層的最后1 個工作面E4102-1 工作面，南臨近E4102 采空區，北為礦井邊界，西臨近皮帶上山，東為礦井邊界，工作面平均埋深380 m，煤層頂底板情況如表1 所示。

表1 4#煤層頂底板情況

潞新二礦原采煤工作面區段之間均留設15～20 m 煤柱，但在實際生產中，發現留設15～20 m保安煤柱時，臨近采空區巷道礦壓顯現明顯，頂板壓力大，后期需要進行起底、擴幫，工程量大，投入資金較多：另一方面煤柱較大造成資源浪費。為了改善巷道應力條件，提升資源回收利用率，對E4102-1工作面運輸順槽進行小煤柱沿空掘巷試驗。

2 窄煤柱沿空掘巷煤柱尺寸調研

采用小煤柱開采，一方面避開應力集中區域，減小巷道圍巖受力，便于頂板管理，對于采動影響明顯的巷道，窄煤柱巷道布置在卸壓區，后續井巷維修工程量較小，降低了成本；另一方面工作面可以減少資源浪費，提高礦井回采率，增加礦井效益，減少井巷維修工程量及成本[5-6]。為論證潞新二礦窄煤柱沿空掘巷可行性及確定合理留設尺寸，對國內部分礦井煤柱留設情況進行了調研，所調研礦井煤厚范圍為2～21 m，埋深100～1 100 m，煤層傾角0°～25°。通過對26 個礦井沿空掘巷煤柱留設尺寸進行統計，在不同煤厚、埋深及傾角條件下窄煤柱留設尺寸大多分布在5～8 m 之間，主要為5 m、6 m、8 m，煤柱尺寸小于或等于4 m的分布很少。

3 窄煤柱合理尺寸研究

3.1 模型建立

依據礦井地質資料—地層鉆孔柱狀圖北補24，選擇E4102-1 工作面、E4102 工作面和運輸順槽進行數值模擬研究，根據地層鉆孔柱狀圖對物理性質相差不大的較薄的巖層進行合并作簡化處理，采用摩爾- 庫倫本構模型[7-10]，所建模型尺寸長X、寬Y、高Z 分別為800 m、800 m、160 m。

3.2 側向支承壓力分布

為了分析E4102 工作面開采完成后采空區附近的應力情況以及圍巖破壞情況，對E4102 工作面沿y 軸進行開挖，開挖完畢后E4102 采空區附近的垂直應力分布如圖1 所示。

圖1 采空區側方煤壁支承壓力分布

由云圖可知，采空區煤壁側豎直應力數值在12 m 范圍內均大于原巖應力，在0～2 m 之間，豎直應力迅速增加，峰值應力為13.35 MPa，應力集中系數達到2.57 倍，距采空區煤壁2 m 以外，應力開始下降，其中2～8 m 應力下降較為明顯，8 m外應力下降緩慢?？梢?，窄煤柱留設尺寸應大于2 m，參考國內窄煤柱留設調研數據，窄煤柱尺寸最大值應不大于8 m，所以，窄煤柱留設尺寸的試驗范圍為2～8 m。

3.3 不同煤柱尺寸巷道破壞情況分析

由采空區側方煤壁豎直應力分布可知，距煤壁2 m 以外，豎直應力緩慢降低，考慮到窄煤柱側采空區煤壁已有破壞范圍，分別研究煤柱尺寸為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 下巷道應力分布和塑性區破壞特征

（1）掘進期間巷道破壞規律

回采巷道掘進時，不同煤柱尺寸下，幫部和底板破壞差異較明顯，煤柱尺寸較小時，即3 m、4 m，底板破壞深度達到1.68 m，隨著煤柱尺寸增加至5 m，底板破壞深度減小至0.84 m，不同煤柱尺寸時，正幫（工作面煤壁側）破壞深度均較小，副幫（采空區側）在煤柱尺寸較小時塑性區與采空區導通，煤柱尺寸增加至7 m、8 m時，副幫破壞深度減小，不同煤柱尺寸下，掘進期間回采巷道均可以保持穩定，但煤柱尺寸較小時，礦壓顯現更劇烈，如圖2 所示。

圖2 掘進期間回采巷道塑性區分布

（2）回采期間巷道破壞規律

當工作面回采時，回采巷道會再次受到工作面支承壓力的影響，巷道塑性區再次發育。根據已有工程經驗，距工作面20 m 范圍內，回采巷道承受明顯的工作面采動壓力影響，而一般在距離工作面50 m 以外區域，工作面采動壓力明顯減弱。為了對比回采巷道掘進期間和回采期間的破壞情況，將回采巷道距離工作面20 m 和50 m 塑性區分布圖導出，如圖3 所示。

圖3 回采期間回采巷道塑性區分布

回采期間，留設不同煤柱尺寸時，受到超前支承壓力影響，幫部塑性區擴散明顯。煤柱尺寸較小時，正幫塑性區破壞范圍和深度均較大，煤柱尺寸越小，正幫破壞越明顯，而副幫在工作面采動應力作用下，破壞范圍明顯擴大，整個煤柱均已發生塑性破壞，距工作面較遠區域，隨著采動壓力影響程度變小，副幫破壞范圍和深度減小。煤柱尺寸較小時，距工作面距離較遠時，副幫仍明顯破壞；煤柱尺寸較大時，相比掘進期間，副幫未明顯破壞，則煤柱越小，其幫部礦壓顯現程度越劇烈，支護強度和回采期間維護難度越大。

通過以往的研究發現，基本頂的破斷位置對關鍵塊結構的穩定性有很大影響，以留設不同煤柱尺寸距工作面20 m 時回采巷道破壞情況為參考，煤柱尺寸為3 m 時，頂板深部塑性區位于巷道和煤柱上方，則基本頂破斷位置易位于巷道正上方，煤柱尺寸為4 m、5 m 時，頂板深部塑性區位于煤柱上方，此時基本頂破斷位置易位于窄煤柱側，煤柱尺寸增大時，頂板深部塑性區離巷道位置越遠，離煤柱越近，其基本頂破斷位置更容易位于窄煤柱側，此時巷道礦壓顯現更小，更易維護。

4 現場工業性試驗

4.1 窄煤柱沿空掘巷設計

以數值模擬為基礎，參考掘進期間和回采期間的巷道破壞情況，為了避免掘進后巷道多次翻修底板，煤柱留設尺寸應大于4 m，綜合考慮資源回收利用，確定留設煤柱尺寸為5 m。采用支護參數如圖4 所示。

圖4 小煤柱沿空留巷支護參數

4.2 巷道破壞實測

（1）頂板圍巖探測

采用小煤柱沿空掘巷時，應對頂板穩定性進行評估，確保其經歷采動影響后，仍保持良好的完整性。根據現場實際生產條件在E4102-1 工作面運輸順槽內選取距離回采工作面45 m 處進行鉆孔窺視，窺視結果如圖5 所示。

圖5 頂板鉆孔窺視情況

參照圖5，可以發現運輸順槽上部留有4.9 m的頂煤，頂煤完整性好，未發現明顯的裂隙；頂煤上部有0.25 m 的炭質泥巖，孔壁完整，未發現破壞的情況。由此可知，采用小煤柱沿空掘巷后，頂板完整性好，未發生明顯破壞，也沒有發現明顯的裂隙。

（2）礦壓觀測

小煤柱沿空掘巷后，服務期間，除頂板穩定保證安全生產外，還需保證巷道尺寸滿足行人、運輸等需求。為掌握巷道變形情況，在運輸順槽布置測點，利用十字布點法，對圍巖進行觀測。從測點數據發現（如圖6 所示）：兩幫收縮量表現為，在距工作面較遠時，兩幫變形較小，趨于穩定；在距工作面50 m 以內區域，兩幫變形速度加快，變形量增大，且底板突然底鼓，需進行清底作業才能滿足使用需求，但清底量較小。可見留設5 m 煤柱沿空掘巷變形較小，可以滿足使用需求。

圖6 圍巖觀測

4.3 推廣建議

留設5 m 煤柱時，從圍巖控制效果分析來看，頂板較穩定，變形量較小，目前采用頂板支護方案的強度可以保證回采巷道的安全，幫部圍巖存在變形，但變形量在允許范圍之內，對工作面的后續回采影響較小，巷道底鼓程度較弱，后期維護難度較低，巷道整體穩定性好，易于維護。

依據數值模擬結果，煤柱留設尺寸為4～8 m時，回采巷道均可以保留下來，但其礦壓顯現程度不同，煤柱尺寸越大，回采巷道破壞范圍和深度越小，回采巷道支護和維護難度越低。對于類似E4102-1 工作面工程地質條件的采區，其沿空掘巷煤柱留設尺寸可以根據圍巖條件、采動條件、采空區條件等綜合考慮，回采巷道礦壓顯現較弱時，可對類似條件工作面留設4.0 m 煤柱沿空掘巷進行試驗。

5 結論

1）對國內部分礦井調研分析，窄煤柱留設尺寸分布在5～8 m 之間。

2）數值模擬研究發現潞新二礦E4102-1 工作面運輸順槽窄煤柱沿空留巷尺寸應大于2 m，最佳煤柱留設尺寸為5 m。

3）E4102-1 工作面運輸順槽留設5 m 煤柱沿空掘巷后，頂板完整性好，巷道變形量小，可以滿足使用需求。