复合灾害综放工作面窄煤柱沿空掘巷安全技术应用

雒 军 莉

（兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿，新疆 昌吉 邮编831100）

1 概 况

硫磺沟煤矿主采4-5 号煤层和9-15 号煤层。4-5 号煤层平均厚度为6.73m，9-15 号煤层厚度28.01～38.83m，平均厚度32.94m，是井田唯一特厚煤层，两层煤的层间距28.23m。（4-5）06 工作面位于（4-5）04 工作面北部，西部距井田边界20m，东部为副斜井保护煤柱，北部为未采动的实体煤,工作面轨道顺槽标高+698.3m～+617.3m，最大埋深568m，最小埋深432m。

2 详细实施内容

2.1 沿空掘巷窄煤柱研究的基础条件

1）现（4-5）06 工作面，轨道顺槽最大埋深557m，最小埋深435m。（4-5）06 工作面皮带顺槽最大埋深662.5m，最小埋深486.1m。

2）该区域地层主体构造为向北西倾的单斜构造，地质构造简单。巷道掘进过程中可能会受到FD5(∠55 ～60°，H=0 ～7m)、FD6 (∠50 ～55°，H=0 ～10m)逆断层影响，两条断层为可靠断层，落差较大。（4-5）04 工作面皮带顺槽掘进时揭露5 条逆断层，预计（4-5）06 工作面轨道顺槽掘进过程中可能揭露这5条逆断层，最大落差为3.0m。

3）老顶为砂质泥岩，厚9.8～11.3m，黑灰色，泥质胶结，局部含砂质，块状；直接顶为粉砂岩，厚5.8～6.4m，灰白色，单斜层理，泥质胶结，以长石为主。直接底为细砂岩，厚1.03～8.06m，灰色、深灰色，薄层状，微波状层理，水平层理，夹粉砂岩薄层，硬度较大，局部含泥岩。

5）硫磺沟煤矿+777～+665m 水平的地应力场目前仍以垂直应力为主，属于垂直应力场类型；最大水平主应力已跟垂直应力接近，硫磺沟煤矿最大水平主应力方位角集中在34.5～90.6°之间，与工作面顺槽轴向夹角均小于35°。

2.2 沿空掘巷窄煤柱合理尺寸分析

1）4-5 煤层上覆岩层结构。

沿空顺槽的稳定性取决于上覆岩层能够形成稳定的悬臂梁结构，即上覆岩层有一较厚的岩层形成梁（拱）结构承担其上岩层的应力，使沿空巷道位置仅承受结构下方较为松散又经加固岩层的重量，属于给定载荷状态。

（4-5）06 煤平均厚度为6.52m，按冒落带高度是3-5 倍采高计算，4-5 煤层顶板的粉砂岩和砂质泥岩都破坏冒落（图1），再其上岩层的状态暂不分析（找不到相关资料）。一般来说，形成梁（拱）结构的条件较为简单，不会成为影响小煤柱尺寸选择的主要因素。

图1 4-5 煤层开采后顶板冒落状态

2）4-5 煤层开采后采空区侧向支承压力分布规律。

4-5 煤层开采后采空区侧向支承压力分布可通过现场实测（应力计或次生应力测量得到），或都通过工作面矿压观测结果得到（目前无具体数据）。

以下仅根据目前可用资料进行分析，在保留沿空煤柱为7m 的条件下，（4-5）06 工作面轨顺内帮施工大直径卸压钻孔深度为6-8m 后难已钻进，且目前轨顺内帮掘进后部分地段变形较大，可以推断距内帮6-8m 是高应力区（以下按8m 分析）。支承压力峰值区位置是变化的，主要是由于上覆岩层的不均衡破断引起的。按此推算，可以确定（4-5）04 工作面开采后，向下方侧向支承压力峰值距采空区边缘为18.6m（此数据量取时区段煤柱为6.3m），这个数据与常规矿压认识相符，即符合开采深度、煤层开采厚度、顶板条件等因素。

图2 （4-5）04 工作面采动影响下的应力计算图

按此处巷道埋深500m 计算，侧向支承压力峰值取1.8，峰值区的应力值约为22.5MPa（图2），由此做出当煤柱尺寸为7m 时，（4-5）06 工作面轨顺煤层上方支承压力分布曲线（图中实线），并进一步做出（4-5）06 工作面轨顺未掘出时的支承压力曲线（图中部分为虚线）。比较煤柱尺寸为4m 与7m 时，（4-5）06 工作面轨顺未掘进时内帮的应力差，经做图计算两者数值相差3MPa，相当于埋深减小120m，所以当小煤柱尺寸取4m 时，可以确定（4-5）06 工作面轨顺内帮的应力值将大大降低，不仅巷道易于维护，也将大大降低应力集中带来的冲击地压危险，尤其是工作面回采期间工作面前方轨顺内帮稳定性大为提高。

3）（4-5）04 工作面皮顺与（4-5）06 工作面轨顺空间位置及相互作用分析。

由于煤层倾角的关系，（4-5）04 工作面皮顺与（4-5）06 工作面轨顺在高度上相差较大，当两巷道间煤柱尺寸为4m 时，两巷道在高度上的净煤柱仍有2.3m（图3）。

图3 （4-5）06 工作面轨顺留4m 护巷煤柱时的巷道位置图

在以上的空间位置关系中，（4-5）04 工作面皮顺相当于（4-5）06 工作面轨顺的卸压硐，可有效降低（4-5）06 工作面轨顺所受的应力值。

两巷间留4m 煤柱不利之处在于（4-5）06 工作面轨顺左侧上方煤体的完整性遭到破坏，并可能受到积水浸泡的影响，给支护带来一定难度，要注意提高（4-5）06 工作面轨顺左侧上方的支护质量。另外，（4-5）04 工作面采空区的积水要进行严格控制。

3 实际应用效果及推广情况

通过采用理论研究和现场应用相结合的方式，形成了综放工作面窄煤柱沿空掘巷安全保障技术体系。解决了大倾角高瓦斯易自燃煤层沿空掘巷围岩变形大、瓦斯涌出量大、邻近采空区煤自燃形式严峻等为题，实现了窄煤柱护巷，大幅度降低了煤炭资源的浪费。本项目的研究成果可有效提高我国大倾角高瓦斯易自燃煤层沿空掘巷条件下开采的安全高效性，对于保障矿井安全高效生产推进我国高产高效现代化矿井建设具有重要的参考借鉴和推广价值以及重大的经济效益和社会效益。

该技术成果是在硫磺沟煤矿（4-5）06 掘进工作面进行技术方案的应用。2017 年9 月至2018 年9 月期间（4-5）06 轨道顺槽掘进工作面安全高效，掘进1850m，相邻采空区煤柱宽度由原来的40m 减小到4m，累计节约煤炭资源量53.24 万t，具有良好的发展应用前景和经济技术优势。

4 经济效益

现场实施以来（4-5）06 轨道顺槽掘进工作面安全高效掘进1850m，相邻采空区煤柱宽度由原来的40m 减小到4m，节约了大量煤炭资源。按煤炭时价180 元/t，吨煤成本100 元/t，则应用该项目成果所产生的经济效益为：

节约煤炭资源量= （40-4）×6.15×1850×1.3/10000=53.24 万t

新增产值=51.76 万t×180 元/t=9316.8 万元

5 结 论

硫磺沟煤矿（4-5）06 工作面窄煤柱沿空掘巷技术现场应用，不仅有效提高了矿井资源回收率，大大增加了矿井的经济效益，而且改善了相邻采空侧巷道的受力状况，解决了采空区侧巷道由于矿压显现明显而严重制约掘进施工安全和生产效率的问题，解决了矿井相邻采空区侧巷道治理困难、无法有效支护的难题，同时对下一步开展窄煤柱稳定性研究和推广应用具有重要的指导意义。