厚煤层综采放顶煤工艺区段小煤柱技术创新分析

邓勇军

（阳泉煤业（集团）有限责任公司五矿，山西　阳泉　045209）

引言

随着时代科技的不断发展，沿空掘巷技术的应用范围越来越广，已然成为一项成熟的新技术。现如今的沿空掘巷技术一般都应用于中厚煤层，采用预留一部分区域设置小煤柱的方法，采放的高度通常不超过6m，矿山所造成的压力比较稳定。但是，砚北煤矿属于矿山压力超强的显现矿井，开采的方式属于特厚每层的分层开采法，若是在此种条件下，仍然能将沿空掘巷技术实验成功，那对于此类技术的发展无疑是具有相当大的意义的，也将开创厚煤层开采技术的先河，为拓宽沿空掘巷技术的使用范围做出重大贡献，为煤矿开采的从业人员提供更多的思路和选择，同时还可以节约资源，减少不必要的浪费，也能大大提高矿井的安全性。

1　小煤柱技术的定义

小煤柱开采技术实际上源于无煤柱开采技术，就是在区段和区段中预留3～5m的小煤柱来支撑矿井下的压力从而保护巷道不变形。

2　小煤柱技术的优点

1）小煤柱技术在地应力上具有优势，其所设置的回风槽恰好规避了外营力较为集中的区域，巷道所受到的压力较小，变形程度较小，支护起来十分方便。另外小煤柱对于顶板情况的适应性强，不论完整程度如何都可以架设。

2）小煤柱技术在瓦斯治理时的效果十分突出，治理效果明显。

3）小煤柱技术可以减少对于临近煤层的瓦斯治理。小煤柱技术的效果和持续性都是相当优异的，这种优势甚至可以对于临近煤层有一定影响，简直可以称得上一劳永逸，这就使得工人不必经常担心瓦斯问题而不得不反复治理，节省了大量工作成本。

4）小煤柱技术对于煤炭资源的节省大为有利。相较于之前的技术，小煤柱技术不但操作简便、使用方便，而且对于煤炭资源的节省也极为可观，对于煤炭资源的利用率最高。

3　砚北煤矿概述

砚北煤矿现在已经开始对5号煤层进行开采，最深的地方可以达到800m。5号煤层的倾斜角度为0°～9°，属于特厚型煤层[1]，煤层的平均厚度可以达到37.5m，冲击地压性表现的相当强烈，具体情况见表1。

表1　5号煤层岩性

4　实验工作面布置

本次试验的地点初步定为砚北煤矿250206上的工作面运输巷，工作面的倾向长为200m，走向长为2 000m[2]。工作面地处于5号煤层的中间地带，顶部和底部均有十米左右的顶煤或底煤[3]；位于其东边的是预留了7.6m小煤柱的另一工作面，而西部就是煤层了。工作面的高度为1 039～1 157m，运输巷的埋藏深度为410m，具体情况见下页图1。

5　对煤柱宽度的计算

图1　实验布置图

区域煤柱的最佳尺寸就是在受到工作面回采的影响时，煤柱可以保持稳定的最小尺寸，而限制巷道缝隙与采空区缝隙的联通以及煤柱抗压强度极限大于受到开采影响时产前侧向支撑压力的峰值则是保持煤柱稳定的基本条件，也就是要做到煤柱一定要留存一些保持宽度的弹性区间。

煤柱抗压强度的极限的计算方式如下：

式中：η是煤层的流变系数，取0.38；σc是煤层试块的抗压强度[4]，取17.37MPa。按照煤巷的应力平衡理论，煤柱的最小宽度计算方法为：

式中，B是煤柱的宽度，m；x1是煤柱的塑性区宽度，m；x2是锚杆插入煤柱的深度，取2.2m；x3是安全宽度，为 0.15（x1+x2）；m 是煤层厚度，取 15.6m；A 是侧压系数，取 0.4；C0是煤层内聚力，取 6.34MPa；φ0是煤层内摩擦角，取25.2°；Px是支护强度[5]，取0.3 MPa。

根据砚北煤矿自身煤层的特点以及物理学原理，计算出的最小宽度为7.31m。

6　计算结果分析

根据砚北煤矿的岩性特点和刚才计算得出的数值，建立FLAC3D模拟数值模型，见表2。

为了对煤柱宽度不同而造成煤岩变形程度不同进行详细分析，特选取煤柱宽度为3m、5m、10m、15m、30m五种方法，结果见图2。

表2　砚北煤矿不同性质FLAC3D模拟数值基础表

图2　煤柱宽度与巷道围岩变形的关系

在对煤矿煤岩层的数值进行分析时，应以煤层柱状图及物力学参数为依据，构建FLAC3D数值模拟模型，为了确保能够完成对煤柱不同宽度区域内的煤岩受力变形情况进行分析，煤柱的宽度应分别设置为3m、5m、10m、15m、30m，对不同的煤柱宽度分别进行计算，煤柱宽度与巷道围岩变形的关系如图2所示，通过对图2中的数据进行分析可知，煤柱的尺寸会随着巷道变形而发生变化，煤柱尺寸越小，巷道的变形量越大。在煤柱宽度为5m时，与宽度为10m进行对比，可知巷道顶板的下沉量会随时增加，而两侧的移近量呈现出减少趋势，煤柱内部会遭受到严重的剪切及破坏。以上研究结果表明，模拟分析结果与标准的结果相符合，在选择煤柱宽度时，以10m左右为最佳。

7　现场分析

粗略来看，在工作面上按照计算得出的7.6m预留煤柱，巷道变形不明显，顶层煤层不坍落，实验基本成功。

若想得出比较准确的数据，监测站的布置必不可少，而布置监测站的时候，一定要按照相应的规定进行，而且因为初期支护时的变形程度高，每天监测的频次必须要高于四次，检测结果的反馈一定要及时。若是发现围岩剧烈变形。一定要立刻将一切工程停止并分析原因，争取找出解决方案。通过在工作面巷道内设立的7个监测站检测锚杆的受力情况和煤柱应力，分析出三点情况：第一，小煤柱之中有一个应力峰值区域，其位置基本不发生改变，距离侧壁大约3m，在工作面不断前进时，峰值右侧2m的应力升高，达到最大之后回落，说明煤体经历了弹性形变和塑性形变两种方式。第二，小煤柱的应力峰值两侧应力降低速度快且明显，这标志着岩层运动对于煤柱的影响已经完成。第三，峰值区左边煤柱应力高于右边，意味着支护形式和参数的合理选用对煤柱的强度有所加强。

[1]王刚.厚煤层综采放顶煤工艺区段煤柱采用小煤柱技术创新[J].现代企业，2016（9）：65-66.

[2]韦全军，张晓波.3310综采工作面小煤柱补强技术创新[J].科技传播，2013（3）：119.

[3]杨英明.动力扰动下深部高应力煤体冲击失稳机理及防治技术研究[D].北京：中国矿业大学，2016.

[4]宋平.斜沟矿厚煤层错层位外错式沿空掘巷与支护技术研究[D].北京：中国矿业大学，2016.

[5]牛建立.煤层底板采动岩水耦合作用与高承压水体上安全开采技术研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2008.