中厚煤层留窄小煤柱沿空掘巷技术

马国军

(神宁集团公司任家庄煤矿，宁夏 灵武 751400)

任家庄煤矿在3煤层以往开采过程中，为了降低工作面回采时支承压力的影响，一直都采用25m的大煤柱护巷的方式。这种回采方式不仅造成了煤炭资源的巨大浪费，并且使下一工作面新掘进的巷道正处于应力增高区，提高了支护成本，增加了巷道维护量，又影响到回采面的正常生产[1-4]。为提高煤炭资源的回采率，保证矿井安全生产，在任家庄煤矿110307工作面进行窄小煤柱掘巷，并逐步在相同条件矿井推广使用[5-7]。

1 工作面概况

任家庄煤矿位于宁夏灵武市东北约20km的毛乌素沙漠的边缘，矿井开采深度为235～860m，设计生产能力2.4Mt/a。110307工作面开采煤层为3号煤层，煤层倾角17°～20°，厚度为2.8～3.4m；直接顶为粉砂岩，局部含粘土质。直接底为粉砂岩。110307工作面回风平巷距地表垂深400～455m，巷道围岩柱状图如图1所示。

图1 巷道围岩柱状图

2 采空区侧向支承压力的分布规律

任家庄矿一直采用区段回风平巷与上区段运输平巷间留设25m大煤柱的布置方法，随着开采深度的逐渐增加(工作面深度从矿井设计时的235m增加到目前的455m)，矿压显现越来越强烈，特别是区段回风平巷显现更加明显。南翼的110306工作面回风平巷，受区段大煤柱支承压力影响，出现了严重的巷道变形现象。因此改变煤柱留设尺寸势在必行[8-12]。

工作面回采过程中支承压力分区如图2所示，图2表明，区段煤柱的支承压力随着距离的增加，越向煤壁内部，煤体受支承压力越大，直到最大值，超过基本顶的抗压处，基本顶随之断裂，因此，煤壁的支承压力根据煤体破坏情况可划分为弹性和非弹性区。

a—减压区；b—增压区；c—稳压区；d—非弹性区；e—弹性区图2 支承压力分区图

采空区侧岩层破坏情况如图3所示，采空区侧上覆岩层自下而上的垮落过程中，将产生的应力主要作用在留设巷道处，增压区内留设巷道煤帮的两帮移近量、底鼓量都急剧增大。上段工作面回采后，随着时间的延续和上覆各岩层逐渐裂隙变形直至垮落，并达到新的应力平衡状态。

Ⅰ—弯曲下沉带；Ⅱ—破碎带；Ⅲ—裂隙带；Ⅳ—原岩应力区图3 采空区侧岩层破坏情况

3 110307工作面小煤柱巷道压力研究

3.1 110307工作面上覆岩层运动状态

110307工作面与110305工作面采空区相邻，110307工作面沿空小煤柱巷道受110305工作面上覆岩层运动影响较大，110305工作面覆岩顶板传递的载荷使得小煤柱巷道应力重新分布，为计算小煤柱巷道位置煤体的支承压力，对工作面顶板的运动状态进行分析，得到煤壁处支承压力的结果。

3.2 110307工作面关键层的确定

110307工作面在2.4m中厚采高条件下研究整个上覆岩中的关键层，其上覆岩层结构及厚度见表1，上覆岩层力学性能特征见表2。

根据关键层的支承特征及强度判别条件，编程计算研究了覆岩的关键层层位、载荷及破断距，见表3，其中，破断距为采用弹性地基梁的计算结果。

覆岩中共有4层关键层，其中15号层为主关键层，控制着其上所有岩层，它们随主关键层的运动而同步运动、协调变形。其它3个关键层为亚关键层，亚关键层控制着局部上覆相对软岩层的运动方式，被控制的软岩与亚关键层协调变形。

4 窄小煤柱宽度及支护强度确定

4.1 采空区侧向煤体完整性的确定

根据煤体破坏的程度、裂隙分布及承载能力，可将采空区侧向煤体依次划分为不完整区(A区)、较完整区(B区)和完整区(C区)，如图4所示，其中，A区煤体结构严重破坏，裂隙发育，无承载能力；B区煤体结构较破坏，裂隙不发育，具有一定承载能力；C区煤体结构未破坏，裂隙不发育，具有承载能力。为防止采空区内的煤体自燃、瓦斯溢出等次生灾害的发生，沿空巷道需布置在B区或C区内。可见，A区宽度是确定沿空巷道位置的重要依据。

表1 110307工作面上覆岩层结构及厚度

表2 上覆岩层力学性能特征

表3 关键层运动特征参数

图4 上区段工作面侧向煤体完整性分布

A区宽度可用注水测漏法进行确定，钻孔注水测漏测试方法如图5所示，沿上帮上部向下依次施工钻孔，钻孔长度依次增大；将注水管插入顶部钻孔，并采用封孔器封孔；拧开注水管阀门，进行注水，观察注水压力，若压力不变或者下降，认为钻孔落空位置与采空区之间的煤体破裂若注水压力逐渐升高，认为煤体完整；依次对其余钻孔实施注水，观察注水压力变化情况。

图5 钻孔注水测漏示意图

通过实施上述工艺，较准确地测试出A区的宽度为1.5m左右，根据其他工作面煤壁揭露裂隙情况的测量，确定B区的宽度为4.5m左右。从灾害控制的角度考虑，区段煤柱宽度必须大于1.5m；从锚固支护(锚杆长度2.0～2.5m)的有效性考虑，煤柱宽度不能小于3m；从有利于维护小煤柱自身强度考虑，煤柱宽度应不小于5.5m，因此，110307工作面巷道中心线距离采空区煤壁处8m，巷道宽度设计为4m，留设小煤柱的宽度确定为6m。

4.2 护巷煤柱载荷计算

对于老顶关键层来说，由于其自身强度大，来压步距大，能够在工作面采空区边缘处形成新的力学结构，维持自身及其以上岩层的平衡，留设小煤柱提供的支护只需适应其顶板的下沉运动趋势，但大部分煤体不能进入到塑性变形阶段。

支护结构对直接顶的支护强度应与直接顶载荷相对应。直接顶载荷由两部分承担，一部分由悬吊在老顶岩层的锚索承担，另一部分由具有残余强度的煤柱承担，其计算公式如式(1)所示：

式中，Q为载荷强度，kN/m；L为周期来压步距，根据以往经验取15m；h1为基本顶厚度，此处取最大基本顶厚度5.4m；h2为直接顶厚度，取最大直接顶3.4m；γ为上覆岩层容重，取26.5kN/m3；a为巷道宽度，取4m；b为小煤柱宽度，取6m。

将有关参数带如式(1)计算得：

=1974kN/m

每根悬吊锚索额定的支护力为270kN，锚索的支护密度为：每3m巷道内有1根锚索，按此计算，每米巷道锚索分担的支护力为90kN，护巷煤柱所应承担的支护阻力按照载荷最大的为1884kN/m，如果护巷煤柱的宽度为6.0m，每平方煤柱须承担的压力为0.314MPa。考虑2倍的安全系数，护巷煤柱的支护强度为0.628MPa。即护巷煤柱煤体的残余强度大于0.587MPa，可支撑住上部顶板。

4.3 巷道支护设计

巷道采用异形断面施工，顶部锚杆选用Φ20mm×2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距800mm×800mm，在巷道正中布置锚索，锚索直径17.8mm，长度6m，锚索间距2.4m；帮部锚杆选用Φ18mm×2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆间排距800mm×800mm，巷道上帮打设一根单锚索加强支护，锚索直径17.8mm，长度3.5m，间距2.4m。巷道支护设计如图6所示。

图6 巷道支护设计断面图(mm)

5 留窄小煤柱沿空掘巷效果分析

5.1 矿压监测结果分析

110307回风平巷从2018年6月开始掘进，距上区段110305采煤工作面收尾时间已间隔20个月，到2019年3月完成。2019年9月工作面开始回采，目前推进180多米。

开始掘进期间，掘进工作面迎头综掘机掘进后，上帮煤体强度低，并且裂隙较发育，使得上帮很容易“超挖”，掘进工作面后方10～50m范围内，两帮侧有120～220mm的移近量，经喷射水泥砂浆后，顶板及帮部围岩基本稳定。留窄小煤柱沿空掘巷实施后，进行了矿压监测，巷道顶板下沉量为60mm，实体煤侧移近量为220mm，窄小煤柱侧位移量为120mm，底鼓量为300mm。而原支护巷道两帮移近量达到600mm以上，底鼓量更是达1200mm。窄小煤柱比原支护底鼓量减少75%，两帮移近量减少63%。窄小煤柱避免了支承压力增高区，变形量小，易维护，满足了生产要求。

5.2 经济效益分析

110307工作面留窄小煤柱沿空掘巷长度600m，走向长度为600m，与以往采用留25m保护煤柱的布置方式相比较，多回收的煤炭资源为65100t，按任家庄煤矿现行原煤价格(280元/t)计算，多回收的煤炭资源价值为1822.8万元。

6 结 论

1)根据理论计算和经验结合，确定将3煤层沿空将巷道布置在C区偏采空区一侧。巷道中心线距离采空区煤壁8m，巷道设计宽度4m，窄小煤柱的宽度为6m。

2)留设窄小煤柱后形成巷道的稳定性好，变形量小，并且巷道易于维护，满足安全生产需要。

3)通过110307风巷留窄小煤柱沿空掘巷的应用，在今后的区段回风平巷布置中，积极推广使用，将大大改善巷道受压状况，并大大提高煤炭回收率。