特厚煤层综放工作面小煤柱留设技术研究

刘智敏

（晋能控股煤业集团 挖金湾煤业公司，山西 大同 037042）

留设煤柱护巷的方式分为宽煤柱方式、窄煤柱方式、无煤柱方式，不同方式各有利弊。吴绍倩教授通过分析研究沿空煤柱矿压规律，曾提出过无煤柱开采方式；刘洋、李庆忠等在分析煤柱破坏规律的基础上，查明了窄煤柱的变形破坏机理，提出了特厚煤层综放工作面小煤柱留设技术理论。

1 概况

1.1 地质赋存情况

挖金湾矿8102 工作面位于山4 号一盘区，该盘区北部与西延盘区主运输、辅助运输、南回风巷相邻，东部与南翼回风巷、南翼主运巷相接，西南部尚未开拓，走向长度1464.8 m，倾斜长230.2 m，面积337196.9 m2，煤层厚度在3.47 m 左右，均含3 层夹石（0.08 ～0.23 m），煤层计算厚度3.07 m，煤厚变化稳定。煤层顶底板岩石类型、厚度以及普氏硬度情况见表1。

表1 煤层顶底板情况Table 1 Roof and floor situation of the coal seam

1.2 采矿方法

根据煤层赋存特征、厚度、巷道布置方式及以往开采经验，该工作面选用单一倾向长壁后退式大采高综合机械化开采的采煤方法。该工作面采用MG900/2360—WD 型双滚筒采煤机割煤，SGZ1000/3×855 型刮板输送机运煤，ZY12000/24/48D 型液压支架、ZYG12000/24/48DH 型过渡支架和ZYT12000/24/48 型端头支架管理顶板。该面煤厚变化稳定，采用见顶见底方法开采（采煤过程中遇到顶底板松软、破碎带、大的地质构造、冒顶区等需改变采煤工艺时，另行制定专项安全技术措施）。

2 煤柱留设问题的提出

综放工作面沿空掘巷后的应力分布和破坏机理如图1 所示，通过分析表明沿空巷掘进后应力重新分布，尤其是特厚煤层回采后冒落矸石未能全部充填采空区域，导致在煤体边缘顶板弯曲下沉，并形成破碎区域。左边工作面采放期间，由于煤柱两侧空区未填实导致支撑力较小，从而引发顶板的二次断裂，该次断裂变形量大、应力集中，增加了巷道支护难度。

图1 沿空掘巷应力分布和破坏机理Fig.1 Stress distribution and failure mechanism of gob-side entry driving

挖金湾矿8102 工作面顺槽掘进巷道尺寸为5.3 m×3.3 m，为保证巷道的整体稳固性，有效隔离防火区和采空区瓦斯的涌出，采用了宽煤柱留设方式，留设煤柱宽度45 m。该方式虽然起到了隔离防火区的效果，但工作面顺槽巷道由于矿压显现导致变形、冒顶严重，甚至局部底鼓，影响着矿井的安全高效生产，且两工作面保安煤柱较宽，资源浪费严重，煤柱损失高达20%左右。针对以上情况，为实现窄小煤柱沿空掘巷提供安全可靠、经济合理、技术可行的方案，开展特厚煤层综放工作面小煤柱留设技术研究。

3 沿空掘巷小煤柱宽度选择方法

3.1 理论计算

煤柱合理宽度的确定如图2 所示。小煤柱合理宽度B=x1+x2+x3，其中：x1为上区段煤体的屈服区宽度（计算公式见公式1）；x2为窄煤柱一侧锚杆支护有效长度，取值2.5 m；x3为该区域的安全系数宽度，x3=0.15～0.35(x1+x2)。

图2 煤柱合理宽度的确定Fig.2 Determination of reasonable width of coal pillar

根据极限平衡理论，得出x1的计算公式。

式中：x1为上区段煤体的屈服区宽度，m；M 为上水平巷道高度，3.5 m；Px为煤柱受到采空区的侧向约束力，取0；α 为煤层倾角，取0；σyl为煤柱抗压极限强度，19.891 MPa；β 为屈服区与核区侧压系数，β=μ/(1-μ)；μ 为泊松比0.32；φ0为煤体受到的摩擦角，28°；C0为煤层受到的粘聚力，2 MPa；γ0为岩层平均体积力，0.025 MPa；d 为扰动系数，考虑到实际开采扰动影响，取1.7。

将该工作面参数代入式（1），算得xl=3.55 m。根据已经算得的xl=3.55 m，x2=2.5 m，计算得出小煤柱合理宽度B=6.88～7.99 m。

由此可见，挖金湾矿8102 工作面合理的小煤柱宽度应为7～8 m。

3.2 工程类比

（1） 千秋矿21201 工作面，该工作面地面标高+580.13 m，井下标高-138.10 m，实际平均采深735 m。煤层平均厚度19.18 m，煤层平均倾角12°，普氏硬度系数f 值为1.5，区段煤柱留设6 m。

（2） 山能巨龙矿一采区工作面。一采区平均开采深度800 m，回采煤层厚9.03 m，普氏系数f=1.59，密度1.36 g/cm3，倾角2°～13°。煤柱宽度为5.0 m。

（3） 淮南谢桥矿1161（3） 工作面标高-640—-720 m，斜长205 m，煤层厚度5.53 m，普氏硬度系数f=0.7。回采期间煤柱留设宽度取值3～5 m。

矿井实际生产表明，该煤柱留设宽度能够实现安全采矿。沿空巷掘进期间，巷道稳固、矿压显现不显著，巷道无变形或者变形量较小，支护难度较小；煤层回采期间，矿压稍有显现，主要体现在超前支承压力导致巷道有一定的形变量，采取补打锚杆、补打锚索方式即可实现沿空巷的稳定支护。

3.3 综合考虑其它特殊因素

①8102 工作面通风巷，设计宽度5.0 m，开挖宽度5.4 m，需要预留较宽煤柱；②挖金湾矿考虑煤层自燃性、采空侧瓦斯溢出等安全因素；③8202区段煤层厚度分布不均，局部达到2.6 m，比矿区平均厚度小。

3.4 小煤柱宽度的确定

综合考虑以上理论计算（理论分析7～8 m）、工程类比（5～6 m） 以及其它因素的基础上，确定小煤柱宽度为8 m。

4 应用实践及矿压检测

4.1 应用实践

挖金湾矿根据8102 工作面的赋存条件，选择一个地点开挖2 条巷道进行对比试验，其中1 条巷道预留煤柱尺寸为5 m，另一条巷道预留煤柱宽度为25 m，该地点模拟工作面长度180 m（x=[-90，90]），开挖长度200 m，煤柱宽度为5 m、25 m。煤层厚度15 m（y=[0，15]）。开挖巷道5 m×3.5 m。

4.2 矿压检测

（1） 工作面矿压在线监测。中部、尾部均匀布置14 条测线（1 号、11 号、21 号、31 号、41号、51 号、61 号、71 号、81 号、91 号、101 号、111 号、121 号、131 号分别布置1 台压力分机），压力分机的2 个接口分别接支架2 根立柱的下腔。

（2） 液压支架矿压监测。在未安装自动监测系统的支架上安装YHY60（A） 型光控数字压力表，对支架前、后柱油缸下腔的压力进行监控，在工作面呈“一”字型，用于检测支架的工作阻力，辅助支架工升架。

支架仪表选型：液压支架使用的仪表为YHY60（A），表量程为0 ～60 MPa，精度2 级，测量通道数2 点，寿命＞24 个月，同时可更换电池组；液压支架型号为ZZ13000/25/50 型，支架承压范围为0～50 MPa，在仪表范围内，同时寿命较长，适合煤业公司的液压支架使用。

（3） 顺槽矿压监测。①在两巷每50 m 顶板的正中至少安装1 台顶板离层仪，型号为LBY-3，每周进行1 次人工数据采集，并更新顶板离层仪牌板，出井后填写台账；②每条顺槽必须配备1 台型号为YHY6D（D） 矿用本安型压力计，放于两顺槽超前支护范围内，通过对数据的观测和分析，总结超前范围内的压力分布规律，验证支护参数是否合理。

4.3 检测效果评价

开挖沿空巷道以后的应力分布监测数据如图3所示。根据监测数据表明：煤柱为5 m 时，对应的沿空巷道垂直应力也较小，煤柱宽度＜10 m，沿空巷道的应力集中较小，巷道处于低应力区；煤柱宽度为25 m 时，应力集中明显增强，导致巷道所受到的应力较大。

图3 沿空巷道开挖后垂直应力Fig.3 Vertical stress of gob-side entry after excavation

5 结语

通过对挖金湾矿煤层赋存条件进行分析，参考理论计算、工程类比以及其它因素的基础上，确定了8102 沿空巷沿空侧煤柱宽度为8 m。实践表明，小煤柱留设技术相对于宽煤柱留设方式，具有改善沿空巷道应力集中的效果，使得巷道处于低应力区，避免了矿压显现导致的巷道变形、冒顶、底鼓问题，并且该技术实现资源的高效利用，降低了宽煤柱导致的资源损失，效果较好。