某煤矿3411工作面窄煤柱留设可行性分析

关玉虎

(霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿)

在工作面回采之前掘进回采巷道，即下区段工作面回采巷道的沿空掘进与上区段工作面的回采同时进行，既可以在有效解决工作面接续紧张问题的同时避免孤岛工作面的产生，又能使得煤炭资源的回收率得以有效提高，因此，该施工方法得到了广泛应用[1-4]。但下区段巷道要经过多次采用影响，区段煤柱的留设宽度显得尤为重要，相关研究表明[5-7]，煤柱宽度大于35 m时，对下区段巷道的影响较小，但煤炭资源损失较为严重，如何合理确定区段煤柱尺寸，最大限度降低巷道采动影响，同时减小煤炭资源损失，就显得尤为重要[8-10]。某矿在结合上述研究成果及工作面生产条件的情况下，将3411工作面与3408工作面之间的煤柱宽度设定为10 m，本研究对巷道变形特征进行分析，论证该煤柱留设方案的合理性。

1 工程概况

某煤矿3411工作面运输顺槽位于3上煤层东四采区-480 m水平，3上煤层平均采深为300 m，呈一单斜构造，煤层倾角为0°～12.5°，3411工作面运输顺槽沿3上煤层底板掘进，总长为1 522 m。3411工作面位于东四采区南部，北部为3407工作面采空区，南部为3408生产工作面。3411运巷在掘进过程中将受到3408工作面回采动压的影响。受到相邻工作面回采后采空区上覆岩层剧烈活动的影响，在临空侧实体煤层一定范围内产生了不同程度的应力集中区[1-3]。应力集中区可分为应力降低区(实体煤侧10 m以内)、增高区(煤体内11～35 m)和原岩应力区。根据沿空掘巷的设计原则，为优化沿空巷道的应力环境，尽可能提高煤炭资源的回收率，将保护煤柱宽度设计为10 m。

2 矿压观测方案

3411工作面运输巷矿压观测的测站布置如图1所示。沿3411工作面运输巷掘进方向，依次布置3个观测面(编号为1#、2#、3#)，各观测站相距30 m。在每个观测站断面的巷道顶板锚杆(索)和两帮锚杆上各安装1台锚杆(索)测力计，观测锚杆受力状况，测力计(测点)分布如图2所示。

图1 测站布置

图2 巷道观测断面锚杆受力监测点

位移测点采用“十字布点法”布置。在两帮巷道高度中部位置以及巷道顶底板中部设置基准线[11-12]。用普通钢卷尺、激光测距仪等测量工具对巷道的顶中、中底、东中、西中等距离进行测量，并记录数据。测量巷道两帮及巷道顶底板到基准线的距离，巷道设计距离与测量距离的差值即为巷道变形量。

3 观测结果分析

3.1 锚杆(索)受力分析

3.1.1 实体煤侧锚杆

实体煤侧锚杆应力随工作面推进的变化曲线见图3。由图3可知：沿空巷道在与工作面相距约50 m 时，锚杆应力开始增大，当沿空巷道掘进至工作面后方100 m后，锚杆应力逐渐趋于稳定。其中1#断面锚杆最大应力为70.5 MPa，恰好处于断层附近，构造应力大；2#断面锚杆最大应力为39.4 MPa；3#断面锚杆最大应力为35.3 MPa，3#断面锚杆的应力最大值位于沿空巷道掘进至工作面后方25 m左右。可见，沿空巷道实体煤帮中上部锚杆受力较大，说明沿空巷道实体帮中上部围岩应力集中程度较高。

图3 实体侧锚杆应力变化曲线

3.1.2 顶板锚杆(索)

巷道顶板锚杆(索)应力随工作面推进距离的变化曲线见图4。分析图4可知：在距离工作面前方25 m到距工作面后方50 m左右，锚杆应力变化剧烈，而后逐渐趋于稳定。其中，1#断面锚杆最大应力为46.3 MPa，锚索最大应力为58.4 MPa；2#断面锚杆最大应力为51.2 MPa，锚索最大应力为64.6 MPa；3#断面锚杆最大应力为41.2 MPa，锚索最大应力为65.8 MPa。总体上，靠近沿空侧的顶板锚杆(索)受力较大，说明巷道顶板围岩在沿空侧应力集中程度较高。

图4 顶板锚杆(索)应力变化曲线

3.1.3 沿空侧锚杆

巷道沿空帮锚杆应力随工作面推进的变化曲线见图5。由图5可知：在距工作面前方50 m左右时，锚杆应力开始增大，距工作面后方100 m后有略微减小趋势。其中，1#断面锚杆最大应力为51.5 MPa，2#断面锚杆最大应力为63.4 MPa，3#断面锚杆最大应力为68.7 MPa。巷道沿空帮中下部锚杆受力较大，说明巷道沿空侧中下部围岩应力集中程度较高。

3.2 巷道位移量分析

当3408工作面未采过1#断面时，巷道变形量较小，当该工作面采过该断面后，巷道变形量随着工作面推进距离的增加呈线性增长，在回采面通过该断面8～30 m时，巷道变形量较大，当该断面距3804工作面大于100 m后，巷道变形趋于稳定。在工作面回采经过1#断面时，工作面上覆顶板活动剧烈产生持续下沉现象，在此阶段巷道围岩变形量较大，受断层影响较大。巷道沿空帮变形量较大，且巷帮下部>上部>中部，巷帮中部最大变形量为265.2 mm；巷道实体侧巷帮变形量相对较小，且巷帮上部>下部>中部，最大变形量为92.4 mm，巷道顶板下沉量较大，最大变形量为274.2 mm，巷道底鼓量较小，且随着工作面的推进变化较小。

图5 沿空侧锚杆应力变化曲线

当3408工作面未采过2#断面时，巷道变形量较小，当3408工作面采过该断面时，巷道变形量随着工作面推进距离的增加呈线性增长，当该断面距离工作面超过92 m后，巷道变形趋于稳定。2#测站顶板最大位移量为100 mm，位于靠近空帮的一侧，顶板最大下降速率为10 mm/d。巷道沿空帮变形量较大，在巷道沿空帮顶、中、底部变形相差较大，且巷帮下部>上部>中部，最大变形量为305.2 mm，最大变形速率为10 mm/d；巷道实体侧巷帮变形量相对较小，且巷帮上部>下部>中部，最大变形量为94.5 mm；巷道顶板下沉量较大，最大变形量为285.3 mm；巷道底鼓量较小，且随着工作面的推进变化较小。

当3408工作面未采过3#断面时，巷道变形量较小，当3408工作面采过该断面时，巷道变形量随着工作面推进距离的增加呈线性增长，两帮的位移上、中、下相差较小，最大值为425 mm，发生于巷道下部，最大变形速率为15 mm/d，当该工作面推采面过断面10～30 m时，巷道变形量较大，当该断面距工作面87 m后，巷道变形趋于稳定。沿空侧巷帮变形量较大，且巷帮下部>上部>中部，最大变形量为332.4 mm；巷道实体侧巷帮变形量相对较小，且巷帮上部>中部>下部，最大变形量为92.4 mm；巷道顶板下沉量较大，最大变形量为310.2 mm；巷道底鼓量较小，且随着工作面的推进变化较小。

综上分析，可知3411运输顺槽顶板岩层在3408工作面回采期间并未出现明显的离层现象，也未出现明显的持续变形发展趋势。通过进行必要的支护后，护巷窄煤柱未出现整体片帮和顶板垮塌现象，3411工作面运输顺槽的围岩变形控制基本达到了预期效果。可见，随着工作面的推进，巷道变形量逐渐趋于稳定，变形量基本可以满足安全生产要求，说明在相向采掘过程中，巷道表面位移得到了有效控制，在进行适当的支护条件下，本研究设计的10 m 宽煤柱尺寸是行之有效的。

4 结 语

为最大限度降低巷道采动影响，减小煤炭资源损失，某煤矿3411工作面与3408工作面之间留设了10 m宽的窄煤柱。通过进行巷道矿压观测，认为该煤柱留设尺寸较合理。