综放工作面小煤柱沿空掘巷围岩控制应用

王晓波，樊 帆

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司开拓一队，山西 晋城 048200）

沿空掘巷是我国煤矿回采巷道布置和维护的一种技术，即在上区段工作面回采稳定以后，沿上区段采空区边缘留窄煤柱掘进本区段工作面回采巷道[1-2]。相比区段之间留设宽煤柱，小煤柱沿空掘巷也可以有效隔断采空区，若是小煤柱布置合理，巷道将处于低应力区，巷道稳定性更好，易于维护[3]。而沿空掘巷所留的窄煤柱不仅受到本工作面的超前采动支承压力影响，而且还受到上区段的侧向支承压力影响，其破坏规律比较复杂，给回采巷道的支护和维护带来了困难[4]。本文以潞新二矿工程地质条件为背景，开展小煤柱沿空掘巷围岩控制研究，确定潞新二矿小煤柱沿空掘巷合理留设尺寸及支护参数。

1 工程概况

潞新二矿主采4 号煤层，煤层平均厚度7.37 m，倾角2°～7°，采用放顶煤开采，采放比1∶1.3，现煤矿在开采4 号煤层的最后1 个工作面E4102-1 工作面，南临近E4102 采空区，北为矿井边界，西临近皮带上山，东为矿井边界，工作面平均埋深380 m，煤层顶底板情况如表1 所示。

表1 4#煤层顶底板情况

潞新二矿原采煤工作面区段之间均留设15～20 m 煤柱，但在实际生产中，发现留设15～20 m保安煤柱时，临近采空区巷道矿压显现明显，顶板压力大，后期需要进行起底、扩帮，工程量大，投入资金较多：另一方面煤柱较大造成资源浪费。为了改善巷道应力条件，提升资源回收利用率，对E4102-1工作面运输顺槽进行小煤柱沿空掘巷试验。

2 窄煤柱沿空掘巷煤柱尺寸调研

采用小煤柱开采，一方面避开应力集中区域，减小巷道围岩受力，便于顶板管理，对于采动影响明显的巷道，窄煤柱巷道布置在卸压区，后续井巷维修工程量较小，降低了成本；另一方面工作面可以减少资源浪费，提高矿井回采率，增加矿井效益，减少井巷维修工程量及成本[5-6]。为论证潞新二矿窄煤柱沿空掘巷可行性及确定合理留设尺寸，对国内部分矿井煤柱留设情况进行了调研，所调研矿井煤厚范围为2～21 m，埋深100～1 100 m，煤层倾角0°～25°。通过对26 个矿井沿空掘巷煤柱留设尺寸进行统计，在不同煤厚、埋深及倾角条件下窄煤柱留设尺寸大多分布在5～8 m 之间，主要为5 m、6 m、8 m，煤柱尺寸小于或等于4 m的分布很少。

3 窄煤柱合理尺寸研究

3.1 模型建立

依据矿井地质资料—地层钻孔柱状图北补24，选择E4102-1 工作面、E4102 工作面和运输顺槽进行数值模拟研究，根据地层钻孔柱状图对物理性质相差不大的较薄的岩层进行合并作简化处理，采用摩尔- 库伦本构模型[7-10]，所建模型尺寸长X、宽Y、高Z 分别为800 m、800 m、160 m。

3.2 侧向支承压力分布

为了分析E4102 工作面开采完成后采空区附近的应力情况以及围岩破坏情况，对E4102 工作面沿y 轴进行开挖，开挖完毕后E4102 采空区附近的垂直应力分布如图1 所示。

图1 采空区侧方煤壁支承压力分布

由云图可知，采空区煤壁侧竖直应力数值在12 m 范围内均大于原岩应力，在0～2 m 之间，竖直应力迅速增加，峰值应力为13.35 MPa，应力集中系数达到2.57 倍，距采空区煤壁2 m 以外，应力开始下降，其中2～8 m 应力下降较为明显，8 m外应力下降缓慢。可见，窄煤柱留设尺寸应大于2 m，参考国内窄煤柱留设调研数据，窄煤柱尺寸最大值应不大于8 m，所以，窄煤柱留设尺寸的试验范围为2～8 m。

3.3 不同煤柱尺寸巷道破坏情况分析

由采空区侧方煤壁竖直应力分布可知，距煤壁2 m 以外，竖直应力缓慢降低，考虑到窄煤柱侧采空区煤壁已有破坏范围，分别研究煤柱尺寸为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m 下巷道应力分布和塑性区破坏特征

（1）掘进期间巷道破坏规律

回采巷道掘进时，不同煤柱尺寸下，帮部和底板破坏差异较明显，煤柱尺寸较小时，即3 m、4 m，底板破坏深度达到1.68 m，随着煤柱尺寸增加至5 m，底板破坏深度减小至0.84 m，不同煤柱尺寸时，正帮（工作面煤壁侧）破坏深度均较小，副帮（采空区侧）在煤柱尺寸较小时塑性区与采空区导通，煤柱尺寸增加至7 m、8 m时，副帮破坏深度减小，不同煤柱尺寸下，掘进期间回采巷道均可以保持稳定，但煤柱尺寸较小时，矿压显现更剧烈，如图2 所示。

图2 掘进期间回采巷道塑性区分布

（2）回采期间巷道破坏规律

当工作面回采时，回采巷道会再次受到工作面支承压力的影响，巷道塑性区再次发育。根据已有工程经验，距工作面20 m 范围内，回采巷道承受明显的工作面采动压力影响，而一般在距离工作面50 m 以外区域，工作面采动压力明显减弱。为了对比回采巷道掘进期间和回采期间的破坏情况，将回采巷道距离工作面20 m 和50 m 塑性区分布图导出，如图3 所示。

图3 回采期间回采巷道塑性区分布

回采期间，留设不同煤柱尺寸时，受到超前支承压力影响，帮部塑性区扩散明显。煤柱尺寸较小时，正帮塑性区破坏范围和深度均较大，煤柱尺寸越小，正帮破坏越明显，而副帮在工作面采动应力作用下，破坏范围明显扩大，整个煤柱均已发生塑性破坏，距工作面较远区域，随着采动压力影响程度变小，副帮破坏范围和深度减小。煤柱尺寸较小时，距工作面距离较远时，副帮仍明显破坏；煤柱尺寸较大时，相比掘进期间，副帮未明显破坏，则煤柱越小，其帮部矿压显现程度越剧烈，支护强度和回采期间维护难度越大。

通过以往的研究发现，基本顶的破断位置对关键块结构的稳定性有很大影响，以留设不同煤柱尺寸距工作面20 m 时回采巷道破坏情况为参考，煤柱尺寸为3 m 时，顶板深部塑性区位于巷道和煤柱上方，则基本顶破断位置易位于巷道正上方，煤柱尺寸为4 m、5 m 时，顶板深部塑性区位于煤柱上方，此时基本顶破断位置易位于窄煤柱侧，煤柱尺寸增大时，顶板深部塑性区离巷道位置越远，离煤柱越近，其基本顶破断位置更容易位于窄煤柱侧，此时巷道矿压显现更小，更易维护。

4 现场工业性试验

4.1 窄煤柱沿空掘巷设计

以数值模拟为基础，参考掘进期间和回采期间的巷道破坏情况，为了避免掘进后巷道多次翻修底板，煤柱留设尺寸应大于4 m，综合考虑资源回收利用，确定留设煤柱尺寸为5 m。采用支护参数如图4 所示。

图4 小煤柱沿空留巷支护参数

4.2 巷道破坏实测

（1）顶板围岩探测

采用小煤柱沿空掘巷时，应对顶板稳定性进行评估，确保其经历采动影响后，仍保持良好的完整性。根据现场实际生产条件在E4102-1 工作面运输顺槽内选取距离回采工作面45 m 处进行钻孔窥视，窥视结果如图5 所示。

图5 顶板钻孔窥视情况

参照图5，可以发现运输顺槽上部留有4.9 m的顶煤，顶煤完整性好，未发现明显的裂隙；顶煤上部有0.25 m 的炭质泥岩，孔壁完整，未发现破坏的情况。由此可知，采用小煤柱沿空掘巷后，顶板完整性好，未发生明显破坏，也没有发现明显的裂隙。

（2）矿压观测

小煤柱沿空掘巷后，服务期间，除顶板稳定保证安全生产外，还需保证巷道尺寸满足行人、运输等需求。为掌握巷道变形情况，在运输顺槽布置测点，利用十字布点法，对围岩进行观测。从测点数据发现（如图6 所示）：两帮收缩量表现为，在距工作面较远时，两帮变形较小，趋于稳定；在距工作面50 m 以内区域，两帮变形速度加快，变形量增大，且底板突然底鼓，需进行清底作业才能满足使用需求，但清底量较小。可见留设5 m 煤柱沿空掘巷变形较小，可以满足使用需求。

图6 围岩观测

4.3 推广建议

留设5 m 煤柱时，从围岩控制效果分析来看，顶板较稳定，变形量较小，目前采用顶板支护方案的强度可以保证回采巷道的安全，帮部围岩存在变形，但变形量在允许范围之内，对工作面的后续回采影响较小，巷道底鼓程度较弱，后期维护难度较低，巷道整体稳定性好，易于维护。

依据数值模拟结果，煤柱留设尺寸为4～8 m时，回采巷道均可以保留下来，但其矿压显现程度不同，煤柱尺寸越大，回采巷道破坏范围和深度越小，回采巷道支护和维护难度越低。对于类似E4102-1 工作面工程地质条件的采区，其沿空掘巷煤柱留设尺寸可以根据围岩条件、采动条件、采空区条件等综合考虑，回采巷道矿压显现较弱时，可对类似条件工作面留设4.0 m 煤柱沿空掘巷进行试验。

5 结论

1）对国内部分矿井调研分析，窄煤柱留设尺寸分布在5～8 m 之间。

2）数值模拟研究发现潞新二矿E4102-1 工作面运输顺槽窄煤柱沿空留巷尺寸应大于2 m，最佳煤柱留设尺寸为5 m。

3）E4102-1 工作面运输顺槽留设5 m 煤柱沿空掘巷后，顶板完整性好，巷道变形量小，可以满足使用需求。