高瓦斯破碎煤体复杂应力条件下小煤柱留设技术

李 鹏

(山西晋煤集团 赵庄煤业有限责任公司，山西 长治 046600)

为节约资源，提高煤炭回采率，许多煤矿摒弃了原来的宽煤柱护巷的方式，对小煤矿留巷方式进行研究。小煤柱留巷技术是采煤业的一项重大技术革新，对改善矿井巷道维护条件，降低巷道掘进率，提高煤矿回采率以及保证工作面安全回采具有重要意义。赵庄煤业1305工作面位于3#煤层一采区，煤层底板标高为340～456 m，地面标高为1 012.4～1 193.2 m，平均采深600 m. 工作面可采长度为968.8 m，倾向长度为158.4 m，面积为160 839.4 m2，平均煤厚4.6 m. 地面东侧为程家庄、西范村，南侧为后山村、上石堂沟。在保护煤柱内，回采对其没有影响。井底北侧为1306工作面，已回采；西侧为1319工作面，未掘进。东侧为一盘区大巷，已掘进；南侧为三盘区大巷，已掘进。

1305综采工作面采用一次采全高的方式对工作面进行回采，该工作面煤层甲烷成分为4.56%～98.64%，平均70.76%，煤体破碎，煤层倾角平均5°，基本顶为12.5 m中粒砂岩，直接顶为0.78 m砂质泥岩。在满足通风、运输、行人、生产的前提下，采用一进一回“U”型方式，按照一盘区顺槽巷道煤柱留设经验，煤柱留设应为50 m，但1305工作面倾向长度只有157.7 m，如按经验值进行留设煤柱，工作面可采储量将大大减少。因此，对1305工作面回风顺槽13052巷留设煤柱宽度进行探讨。

1 小煤柱合理宽度确定

1.1 沿空掘巷上覆岩层垮落规律

采用理论分析的方法，研究破碎煤体复杂应力条件下沿空掘巷上覆岩层垮落规律，对沿空掘巷上覆关键块体失稳模式与窄煤柱力学状态进行分析，并确定沿空掘巷的可行性；破碎煤体复杂应力条件下沿空掘巷上覆岩体通过巷道直接顶与巷道发生作用，当上区段工作面的煤层采出后，上覆岩体的垮落特征、垮落后的赋存状态在一定程度上取决于基本顶岩层的断裂特征及其垮落后的赋存状态。为此，上区段工作面的回采造成高瓦斯破碎煤体复杂应力条件下沿空掘巷上覆岩体的断裂，见图1.

1) 工作面支架推过后，随着上区段煤层的采出，直接顶岩层随之发生不规则或规则的垮落下沉，最终与其上位的基本顶岩层发生离层。当煤层完全采出时(如工作面中部)，直接顶一般为不规则垮落。

2) 基本顶岩层在直接顶垮落后，一般在侧向煤体内断裂，并发生回转或弯曲下沉，直至在采空侧形成图1中岩体A、岩体B、岩体C组成的铰接结构。该结构的稳定性与采空区充满程度及基本顶岩层的断裂参数密切相关。

图1 高瓦斯破碎煤体复杂应力条件下沿空掘巷上覆岩体结构示意图

3) 在基本顶岩层垮落过程中，其上覆载荷岩层随之发生垮落。据此，可将综放沿空掘巷上覆岩体的垮落运动分为两组：随煤层的开采而不规则、或者规则垮落的直接顶岩层；基本顶岩层及其上覆岩层垮落后能形成平衡结构的岩层[1].

1.2 小煤柱宽度留设的基本原则

沿空巷道小煤柱宽度的合理选择是沿空巷道掘进与支护技术的关键环节之一，煤柱尺寸过大或过小都不利于巷道围岩的支护和维护，根据沿空小煤柱护巷机理，小煤柱留设宽度必须满足：

1) 有利于巷道采用锚杆支护，保证巷道围岩相对完整，松动范围较小，充分发挥锚杆的锚固作用和围岩自身承载的能力。

2) 有利于提高采区回采率，尽可能地减少煤柱损失。

3) 有利于隔离采空区，不向采空区漏风。

4) 有利于巷道维护，使巷道布置在上区段采空区两侧煤体上方的支承压力降低区内，避免相邻采区回采后残余支承压力与超前支承压力的叠加作用。

1.3 合理小煤柱宽度的确定

采用FLAC3D数值计算软件对破碎煤体复杂应力条件下沿空掘巷特征进行数值模拟研究，数值计算模型建立以后，根据赵庄煤业生产地质条件，结合1306工作面开采后采空区侧向支承压力分布结果，在确定沿空掘巷小煤柱宽度时，选择5 m、7 m、9 m、12 m、和15 m5个煤柱宽度方案进行模拟，在给定支护条件和围岩力学参数条件下，只考虑煤柱宽度对煤柱稳定与巷道变形的影响，通过对计算结果的应力分布规律及变性特征分析，选择最优煤柱宽度。

要确立合理小煤柱宽度，首先要对沿空掘巷后巷道围岩应力分布规律进行分析，分别取1306采空区侧向80 m范围内的围岩分析其垂直应力分布规律。

巷道掘进期间不同煤柱宽度上区段工作面回采后，垂直应力演化分布规律及垂直应力分布与煤体边缘距离间的关系见图2.

在5种模拟方案中，随着煤柱宽度的增加，在距采空区边缘0～30 m应力大小基本不变，0～30 m峰值应力均约为74 MPa，应力集中系数约为4.9，出现在距离采空区边缘7 m处。在新掘巷道右侧实体煤0～10 m内，应力峰值基本相同，约为25 MPa，应力峰值位于沿空掘巷煤壁右侧3 m处。煤柱宽度为5～8 m时，煤柱应力峰值随煤柱宽度的增加依次增大，且仅为单个峰值；煤柱宽度为9～15 m时，煤柱应力出现两个峰值应力，随着煤柱宽度的增加，双峰值之间的距离也慢慢增大，靠近上区段侧的峰值趋于稳定约为30 MPa，靠近1305工作面侧的煤柱应力峰值随煤柱宽度的增加逐渐减小，最后趋于稳定约为25 MPa. 9～15 m煤柱出现马鞍形应力分布，表示其依然有很大的承载性能[2].

通过理论分析和数值模拟得出，在综合考虑13065巷帮部变形、支护形式、13052巷帮部支护、瓦斯渗透的影响，并保证巷道安全的前提下，选用净煤柱为12 m的宽度，该宽度既能避开应力集中区又可防止老巷瓦斯渗漏。

2 支护参数的选取

根据经验确定赵庄煤业一盘区顺槽巷道支护方式，随着巷道掘进巷帮及顶板变形量较大。因此，提出了4种支护方案，利用数值模拟方法对支护方案进行分析。方案支护参数对比表见表1.

为得出5种支护参数下围岩控制效果，对掘进与回采期间的巷道围岩顶底板移近量、两帮移近量等参数进行对比分析，结果见表2，图3.

由表2、图3可知，方案一、方案四在掘进期间的巷道变形量均远小于原方案，考虑到巷道掘进支护成本投入及支护排距大带来的掘进速度快，最终选择方案四为13052沿空掘巷的支护方案。

3 矿压监测数据

13052巷1#综合测站位于巷道100 m处。巷道支护方式采用方案四进行支护，顶部为全锚索支护，顶部锚索受力在220～386 kN，平均值为285.6 kN.

图2 掘进期间不同宽度煤柱下巷道围岩垂直应力分布规律图

方案顶锚索排距/mm顶锚索每排数量帮锚杆每排数量帮锚杆排距/mm帮锚索每排数量帮锚索排距/mm补强支护补打锚索数原方案1 200551 20022 4000方案一1 000551 00031 0000方案二1 200561 20022 4000方案三1 200551 20022 4001方案四1 500551 50033 0002

表2 掘进期间支护方案数值模拟结果对比表

图3 支护方案数值模拟结果对比图

帮部支护为每排5根，其中顶角往下依次为4根锚索，底角采用锚杆支护，其中左帮锚杆受力在40～60 kN，平均值为52.2 kN，左帮1#锚索受力为360 kN，2#锚索受力为450 kN，平均值为405 kN；右帮为全锚索支护，右帮锚索受力在40～400 kN，平均值为170 kN.

现场采用十字布点法安设巷道围岩表面位移测站，13052巷安装表面位移测站共6组，通过对测站观测顶底板相对移进量平均为220 mm，两帮相对移进量平均为295 mm，移进量均符合支护要求[3].

4 结 语

高瓦斯小煤柱留设技术在赵庄煤业一盘区13052巷成功试验，13052巷回采期间，顶板与帮部无明显变化，满足了工作面的安全、高效回采。在1305工作面与煤柱留设经验值50 m煤柱对比，工作面倾向长度增加38 m，工作面可采煤量增加24.01万t，节约了煤炭资源，提高了煤炭回采率，工作面安全、高效开采。