塔山矿特厚煤层综放工作面小煤柱留设技术研究

2022-01-20徐春虎唐婷婷

煤矿现代化 2022年1期

徐春虎，唐婷婷

（1.晋能控股煤业集团塔山煤矿，山西大同 037003；2.晋能控股煤业集团白洞矿，山西大同 037003）

1 塔山煤矿赋存情况简介

3～5 号煤层为塔山煤矿主采煤层，煤层平均厚度10.2～11.6 m，煤层赋存地质条件较为复杂，断层节理发育明显，自下而上赋存1 m 破碎煤层、5 m 水平发育节理、10 m 垂直方向和倾斜发现节理。其中8117 综放工作面可采倾向长度平为281 m。

2 特厚煤层综放工作面小煤柱留设技术应用

2.1 问题的提出

塔山矿一盘区8102～8105 工作面在回采期间，为有效防止煤层自燃、瓦斯涌出等问题，采用留设38 m 宽煤柱的方式，原矩形掘进断面尺寸为5.3 m×3.3 m，但巷道围岩变形明显，冒顶现象时有发生。在回采期间，围岩破坏最严重时，巷道断面尺寸仅为2.9 m×2.3 m，对工作面正常安全回采造成产生了极为不利的影响，且由于煤柱尺寸过大，造成煤炭资源损失量大、损失率高、回采率较低。针对上述实际情况，小煤柱留设技术研究至关重要，要求该技术在确保工作面防火、防瓦斯可靠的前提下，需同时符合窄小煤柱沿空掘巷安全可靠、经济合理、技术可行。因此，对8117 工作面煤柱留设宽度开展了沿空掘巷的基础理论分析和关键技术的研究。

2.2 煤柱宽度的确定

2.2.1 理论计算

考虑到宽煤柱易造成煤炭资源浪费和损失，同时，留设宽煤柱易导致巷道围岩变形量加大、巷道变形破坏严重，不利于巷道围岩稳定性的维护；当煤柱宽度过于窄小时，会导致煤柱破碎严重，稳定性差，失去预留煤柱的意义，且无法对开挖巷道进行有效支护，导致锚杆（索）锚固力不足，不利于工作面安全生产；鉴于此，煤柱宽度的选择必须合理有效，一方面需满足巷道围岩变形量小，锚杆（索）支护有效；另一方面需有效节约煤炭资源。

以极限平衡理论为依据，分析认为窄煤柱最优宽度的计算如式（1），塑性宽度、支护有效长度的分布情况如图1 所示。

图1 窄煤柱最优宽度示意图

式中：B为窄煤柱最优留设宽度，B=X1+X2+X3，m；X1为塑性区宽度，是指相邻工作面回采后形成采空区，采空区围岩受理状态改变，采空区的侧煤体在顶板及围岩压力的共同作用下发生的塑性变形宽度，m；X3为锚杆的实际有效支护长度（锚固段长度），一般取值 3.0 m；X2按照（X1+X3）×（0.3～0.5）进行计算，作为煤柱稳定补充宽度。其中塑性区宽度X1的由来按式(2)计算。

式中：m为煤层回采厚度，考虑8117 工作面煤层所处的煤体平均厚度为10.2～11.6 m，取回采厚度为10 m；φ0为煤层界面的内摩擦角，查资料得出φ0= 30°；C0为煤层界面的黏结力，查资料得出C0=1.2 MPa；γ为岩层容重，查地质资料得γ=25 kN/m3；H为巷道埋深，依据工作面埋藏深度取值400 m；A 为侧压系数，与泊松比相关，计算公式如下：A=μ/(1-μ)，泊松比μ= 0.17，算得侧压系数A =0.21；K围岩应力集中系数，取平均值 1.7；Px为锚杆施工后，煤帮提供的锚固摩擦阻力，取值0.25 MPa。得到X1= 2.2 m，X2= 1.56 ～2.6 m，B=6.76～7.8 m。为了保证锚杆的锚固力，保证锚杆的支护效果，锚杆的长度需保证锚固段位于稳定的煤体，确定煤柱宽度为8.0 m。

2.2.2 数值模拟

依据生产现场实际建立模拟方案如下：工作面长280 m（x=[-140，140]），煤层厚度 10 m（y=[0，15]），开挖巷道长度600 m，巷道开挖尺寸为5.0 m×3.5 m，预留煤柱宽度分别为5、8、10 m。通过利用数据模型的模拟计算，绘制出煤柱侧垂直应力分布云图和巷道开挖后应力分布情况图，分别如图2 和图3 所示。

图2 垂直应力曲线

图3 沿空巷道开挖后垂直应力曲线

由图2 可知，工作面回采后煤壁支承压力的峰值在距离煤壁22 m 位置，距离煤壁10 m 范围以内支撑压力较小，属于低应力区；由图3 可知，巷道开挖后的应力分布有明显变化，应力向煤体内部转移趋势明显。当煤柱宽度＜10 m 时，沿空巷道应力集中现象不显著，巷道处于低应力区；当煤柱宽度=10 m 时，煤柱有明显的应力集中现象，煤柱周边形成应力集中区。模拟结果表明：煤柱宽度过大，巷道的维护难度反而增加。由此可见，巷道煤柱宽度不宜过大，应小于10 m 为宜，且当煤柱尺寸为8 m 时，垂直应力明显较低。

2.2.3 煤柱宽度的选定

综合考虑8117 工作面地质条件及煤柱留设计算方案，5117 巷道成巷断面宽度为5.2 m 以及考虑塔山矿煤层自燃、采空侧瓦斯溢出等安全因素，综合确定5117 巷道沿空侧煤柱宽度为8 m。

3 工作面其它主要参数选择

1）工作面长度220 m。同煤集团塔山矿目前开采一、二盘区已采工作面长度有270 、280 、281 m，其中二盘区已完成回采的工作面长度多为270 m。8117 工作面可采长度为281 m，但是不适宜布置2个工作面，且5117 巷掘进过程中揭露夹矸等地质构造较多，同时结合8117 工作面实际情况考虑尽可能多的回收煤炭资源，确定8117 工作面回采长度为281 m。

2）8117 顶板高抽巷与5117 回风巷间的高差设计为15 m。8117 顶板高抽巷的底板标高与5117 回风巷的底板标高相错高差为15 m，并且在2 条巷道预留了长度20 m 的净煤柱，实现高抽巷与工作面上隅角距离有效缩短，减小瓦斯渗流路径长度，该设计高差通过缩短高抽巷与上隅角距离实现了工作面上隅角瓦斯有效治理；同时高抽巷也有利用8117 采空区瓦斯等有害气体的排放。

3）F1 断层为正断层，落差1 m，倾角85°。根据8117 工作面掘进过程中对该断层的勘探，该断层为非含水断层，对工作面的影响不大；同时，采掘工程平面图中该断层位置为推测位置，考虑到本工作面可采推进长度较短及提高资源回收量，故取8117 工作面距F1 断层最小垂直距离为1 m。在5117 巷掘进过程中要严格执行“有掘必探，有疑必探，先探后掘”，根据实际情况采取相应措施，必要时可对方案进行进一步调整。

4）5117 巷与8112 采空区间小煤柱宽度8 m。5117 巷与8112 工作面采空区之间留设煤柱宽度为8 m，选取8117 工作面对小煤柱留设技术进行现场试验。留设依据参见上述沿空掘巷小煤柱宽度选择方案及原因。