工作面小煤柱宽度预留方案及支护设计

冀 峰，张晨光

（1.晋能控股煤业集团恒泰皇后煤业，山西 阳泉 045100；2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030006）

1 15108工作面概述

15108工作面北部为15102工作面采空区，东部为采区上山巷道，南部为15104工作面采空区，工作面呈东西走向布置。15108工作面回风、运输顺槽长度为946 m，开切眼长度为186 m。

15108工作面回采煤层为15号层，平均厚度为7.5m，平均倾角为4°。15号层存在伪顶，主要以薄层泥岩为主，平均厚度为0.3 m，随着工作面回采逐渐脱落；直接顶主要以K2石灰岩为主，平均厚度为2.9m；基本顶主要以石灰岩为主，平均厚度为11.8 m。

为了提高工作面煤柱回采效率，皇后煤业通过技术研究决定对15108工作面采取预留小煤柱布置方式，但是通过邻近工作面回采现状来看，开采过程中由于受回采应力影响，回采工作面和巷道容易发生变形或破坏，造成顶板下沉和垮落、底鼓、片帮、支架变形损坏、工作面冒落等现象。因此，15108工作面预留小煤柱时必须合理确定小煤柱宽度，并对小煤柱巷道采取合理有效的支护措施。

2 15108顺槽小煤柱宽度预留方案分析

2.1 工作面应力分布规律

通过采用限元数值模拟软件FLAC3D来模拟分析研究15108工作面沿空掘巷煤柱的变形破坏特征和巷道围岩的应力分布特征，如图1所示。

图1 15108工作面应力（Pa）分布云图

1）由图1可知，在15102工作面、15104工作面回采完毕后，15108工作面处于孤立状态，受两侧采空区顶板下沉破坏作用，在15108工作面煤柱两侧边缘形成了侧向支撑应力，由于15108工作面较长，两侧支承应力未完全传递至叠加区，相互之间影响不大。

2）从图1中可以看出，15108工作面所受的垂直应力整体呈现“马鞍形”，在距两侧采空区0～10 m范围内所受的应力相对较小，在10～30 m范围煤柱所受应力最大，而在30 m以外煤柱基本不受应力影响，因此，小煤柱应布置在距采空区0～10 m范围内。

2.2 小煤柱宽度确定

根据皇后矿15108工作面的地质条件，通过数值模拟将煤柱宽度当作单一变量进行计算，分析其合理性，建立孤岛工作面合理煤柱宽度数值模拟计算模型，在其他条件相同的情况下，模拟煤柱的宽度分别为4 m、8 m、12 m、15 m，总共4个方案，如图2所示。

由图2可知：

图2 预留不同煤柱宽度下围岩最大主应力分布云图

1）随着小煤柱宽度增加，煤柱所受内应力逐渐增大，且最大内应力以位于煤柱中部为主，当煤柱宽度增加后，最大内应力向中部移动，距巷帮以及采空区距离逐渐增大；

2）当煤柱宽度为4～8 m时，煤柱帮大范围的破坏使其承载能力很低，实体煤帮承担着绝大部分的顶板压力，主应力呈实体煤帮高、煤柱帮低分布；

3）随着煤柱宽度增大，煤柱承载能力大幅提高，高应力开始向煤柱帮转移，当煤柱宽度为8～12 m时，主应力呈煤柱帮高、实体煤帮低分布，此时，巷道整体处于高主应力状态；

4）当煤柱宽度达到12 m以上时，采动影响主要集中在靠采空区侧煤柱内，煤柱内主应力呈不对称双峰布置。

因此，要提高小煤柱承载能力，避免回采应力、采空区残余应力对小煤柱冲击破坏作用，小煤柱必须位于小应力区域内，以避免在高应力状态下煤柱出现塑性流变破坏现象，最终根据煤柱内应力分布及影响分析，确定了小煤柱宽度为8.0 m。

3 小煤柱巷道支护设计

15108工作面顺槽掘进断面尺寸为宽4.6 m、高3.1 m，为了保证巷道围岩稳定性，决定采用“锚杆+锚索+钢筋焊结网+铁丝网+W钢带”联合支护技术。

1）顶板锚索：锚索材料为Ф17.8 mm、17股高强度低松弛预应力钢绞线，长度为6 200 mm，钻孔深度为6 000 mm，外露150～250 mm；锚索排距为900 mm，每排5根，间距为1 000 mm，垂直顶板布置。

2）帮部锚杆：采用规格为Ф20 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢（25MnSi），帮锚杆钻孔深度1 950 mm，外露50 mm，排距900 mm，间距800 mm，每排4根锚杆，垂直巷帮布置，最大偏差角度不大于5°，如图3所示。

图3 15108顺槽顶板支护断面、平面示意图（mm）

3）网规格：顶网采用Ф6 mm的钢筋网进行护顶，网片规格为6 000 mm×1 200 mm；帮网采用10号铁丝的菱形网材料，网孔规格为30 mm×30 mm，网片规格为2 800 mm×1 000 mm；网片采用搭接方式进行连接。

4）承载机构：钢筋托梁采用Q235钢筋焊接而成，钢筋直径为10 mm，每排由3个钢筋托梁搭接而成，每个钢筋托梁长度为1 000 mm，宽度为100 mm；W钢带宽度为220mm，厚度为4mm，长度为4500mm。

4 结语

截止目前15108工作面已回采到位，与常规工作面进行对比分析，取得了显著应用成效：

1）通过对工作面煤柱内应力分布进行分析，合理确定小煤柱宽度后，工作面在后期回采过程中，位于采空区侧巷帮煤柱未出现片帮、收缩等现象，保证了工作面后期安全回采；

2）15108工作面采取小煤柱回采后，工作面可多回收原煤产量达14.8万t，增加工作面经济效益达4 200余万元，同时减少了采空区遗煤量，避免了采空区出现煤层自燃现象，加强了采空区安全管理。