综采面小煤柱留巷支护设计与实践

郝占云

（大同煤矿集团朔州煤电小峪煤业有限公司，山西 怀仁 038300）

综采面合理的护巷煤柱宽度不仅可以增加煤炭采收率，而且可以保证巷道的稳定。众多学者及工程技术人员开展了广泛研究[1-6]，取得了显著成果。根据煤矿具体工程地质条件，对19#煤层南Ⅰ辅助盘区8102工作面进行小煤柱沿空掘巷顶板控制和开采技术研究。

1 工程概况

8102工作面所采煤层为19#煤层，19#煤层总厚度7.29m～8.78m，平均厚7.94m。其中上段的糟糕煤总厚2.98m～3.77m，均厚3.35m；泥岩厚 0.20m；煤（尺八煤）总厚0.35m～0.52m，均厚0.42m；高岭岩总厚1.04～2.15m，均厚1.44m；下段的“四四”煤层总厚2.29～2.84m，均厚2.53m。

表1 煤层顶底板岩性

19#煤层南Ⅰ辅助盘区8102工作面斜长180m、走向长943m，煤层倾角2°～5°，平均3°。煤层顶底板岩性见表1。

2 煤柱尺寸留设的计算方案

回采工作面以往留设的护巷煤柱宽度在35m，为了减少煤炭损失，提升回采面采收率，试在5102巷巷采用岩空掘巷布置方式，同时临近的采空区已经被压实（回采结束超过6个月）。同时数值模拟是研究合理护巷煤柱宽的一个方便且可信的手段措施，因此，文中采用FLAC-3D软件对不同的沿空掘巷煤柱尺寸方案下的岩层移动特征进行分析，以此优先出最佳方案。根据矿井原生产情况，具体煤柱尺寸分别为：3m、5m、7m、10m和12m，共5个方案，具体方案如图1所示。

图1 数值模拟方案

根据计算结果可知，以上5个方案（即煤柱尺寸分别为：3m、5m、7m、10m和 12m）的塑性区域、应力分布及引起的岩层移动结果都相差不是很大。当煤柱时尺寸较小时，沿空掘巷围岩的变形值相比较来说比较大，但应力集中或者说处于高应力的煤柱范围较小，这对于工作面回采时的巷道稳定有利；而采用相对较大煤柱方案时，在开采前期，围岩变形较小，但是随着开采的不断向前推进，由于巷道两侧的应力集中程度不断加大，煤柱和煤帮都处于较高应力水平状态，致使巷道的两帮和底板的变形速率加大，这不利于巷道较长时间的稳定。

因此，沿采空区布置5m的煤柱进行开采，这样，即能采出足够的煤炭资源量，提高回采率；又能在服务年限之内能保证巷道的稳定，满足生产要求。

3 工作面的运输巷道锚杆配合注浆支护设计

3.1 锚杆支护方案

5102巷沿着19#煤层底板掘进，巷道宽为4m，上帮高为3m，下帮高2.8m。由于19#煤层埋深较浅（180m），因此，巷道支护采用锚杆、金属网并配合采用梯子梁进行，具体的巷道支护示意图如图2所示，主要支护参数见表2。

图2 工作面运输巷道支护方案

表2 工作面运输巷道主要支护参数

3.2 注浆加固方案

注浆加固就是将渗透性较强的浆液通过裂隙注入到破碎煤体中，通过浆液的密室以及骨架作用，将破碎的煤体连接为一个完整的整体，从而改变煤体的力学性能，增强其承载能力。本次注浆加固采用的注浆材料为水+普通硅酸盐水泥+固化剂（TWK-2），具体比例为：0.5：1：1.5。注浆压力设定为 1～1.5MPa，考虑到注浆钻孔施工方便性以及煤柱为5m，确定注浆钻孔的深度为2.4m，在煤壁上布置成五花孔状，上部以及下部布置的注浆钻孔开孔位置距离巷道顶、底板均为600mm，具体的注浆布置如图3所示。

图3 注浆钻孔布置示意图

4 运输巷顶、底板及两帮移近量观测

掘进19#煤层南Ⅰ辅助盘区8102工作面运输巷，在距19#煤层南Ⅰ辅助盘区8102工作面切眼位置前方180m处布置观测点，对巷道围岩变形进行监测。

4.1 顶板下沉监测分析

对巷道掘进期间以及4823回采工作面推进期间的顶板下沉量进行观测分析，具体如图3所示。从观测数据中可以看出，4823回采运输巷的顶板总体下沉量比较小。在巷道掘进后的1～10d内，巷道顶板的离层速度较大，平均为1.6mm/d,此后，巷道顶板的离层速度显著降低，30d后巷道顶板趋于稳定，在巷道掘进期间，巷道顶板累积下沉量为23mm，巷道整体较为稳定。在4823回采工作面回采前期（10d内），由于回采面距离顶板离层仪位置较远，顶板下沉量数据变化不明显，仅为1.8mm/d，随着回采工作面面的不断推进，巷道顶板上部岩层受到采动影响，开始出现明显的下沉，下沉量增加至6mm/d。至回采面推进30d，巷道顶板下沉量值达到128mm。随后，巷道顶板下沉量增加值有所降低，等到回采工作面推进60d时，达到顶板离层以安设位置，此时顶板下沉量值为195mm。

图4 4823回采工作面巷顶板下沉量监测曲线

4.2 两帮变形量监测分析

对4823回采工作面运输巷掘进以及4823回采工作面开采期间的巷道两帮变形量进行监测，具体的监测数据如图5所示。从图中可以看出，在4823回采工作面运输巷沿空掘巷期间，巷道两帮的变形量值不大，15d内的累积变形量值为125mm，此后巷道两帮变形量趋于稳定。到回采面回采之前，小煤柱的注浆已经结束，浆液强度已经达到设计值，小煤柱帮由于受到注浆密实及骨架支承作用，小煤柱侧的变形量值较小，为50mm。在实体煤帮，回采面开采推进初期就出现变形，随着回采工作面距离巷帮测点的距离变小，围岩变形量加剧，直至回采面推进60d（回采面推进至测点位置），实体煤帮的变形量达到0.9m。表明，采用锚杆以及注浆加固技术可以较好的控制巷道围岩变形。

图5 巷道两帮变形量监测曲线

4.3 巷道底板变形监测分析

4823回采工作面运输巷掘进期间的底鼓量较小，随着4823回采工作面的推进，同时由于巷道底板是岩性较软的泥岩，巷道底板变形量逐渐增加，底板的最大底鼓量达到1.5m，为了保证巷道的使用，需要不断的进行起底工作。

5 经济效益

在19#煤层南Ⅰ辅助盘区8102工作面进行了留5m的小煤柱的实践，预计回采结束后可多采约20万t煤，按目前售价算创收了：20万×300元/t=6000万元，如该项技术在全区推广，不仅可以提升矿井的煤炭回采率，增加矿井生产时间，而且可以产生良好的经济及社会效益。

6 结 语

19#煤层南Ⅰ辅助盘区8102工作面运输巷采用小煤柱沿空掘巷，通过模拟分析，5m煤柱护巷可以保证回采巷道安全。在巷道支护方面采用主动强力支护与让压支护相结合的综合支护技术，保证了巷道围岩的稳定，增加了煤炭资源利用率，取得了较好的经济效益。