浅埋煤层沿空掘巷小煤柱留设宽度及支护技术研究

宋宇鹏 王 涛

（山西煤炭运销集团长治有限公司，山西 长治 046000）

留设区段煤柱护巷是井工煤矿回采工作面常见的布置方式。为了保证工作面生产安全，区段煤柱的留设宽度一般在20～30 m，部分矿井甚至达到50～60 m，造成大量的煤炭资源损失[1-3]。近年来，随着采煤技术和采掘装备的不断发展，小煤柱沿空掘巷作为一种提高煤炭采出率、优化生产布局的布置形式，得到越来越广泛的应用[4]。众多学者对沿空掘巷理论和围岩控制技术开展了大量研究[5-7]，提出了确定小煤柱合理宽度的理论和经验公式，分析了影响小煤柱稳定的关键因素，并应用于工程实践。随着煤炭资源开发向中西部矿区转移，浅埋煤层成为部分矿井的主力开采煤层，浅埋煤层沿空掘巷技术研究与应用也成为热点问题[8]。微子镇矿以往回采工作面的区段煤柱宽度为15 m，为进一步对煤柱尺寸进行优化，提高煤炭资源采出率，缓解矿井采掘衔接紧张问题，以15103 工作面回风顺槽沿空掘巷为工程背景，通过理论计算和数值模拟确定了小煤柱留设宽度，基于小煤柱施工条件设计了沿空巷道的支护方案，并在现场进行了工程应用。

1 工程概况

微子镇矿现采煤层为太原组15 号煤层，平均厚度3.8 m，平均倾角8°，局部存在两层夹矸，厚度0.3～0.8 m，煤层赋存稳定，结构简单，平均埋深190 m，属浅埋煤层。15 号煤层直接顶为厚度0.5～0.8 m 的泥岩，灰黑色，泥质结构；基本顶为厚度6.15～12.2 m 的中粒砂岩，质地坚硬；直接底为厚度1.8～3.0 m 的泥岩，灰～灰黑色，泥质结构；基本底为厚度4.1～6.9 m 的铝质泥岩，浅灰色，泥质结构，厚层状、块状构造。

15103 工作面是全矿第3 个工作面，设计可采长度420 m，切眼长度150 m，位于一采区中部，南侧为一采区胶带大巷，北部为小窑破坏区，西侧为15102 工作面采空区，东侧为15105 工作面实体煤。工作面采用双巷布置，综采一次采全高开采工艺，全部垮落法管理采空区顶板。沿空掘巷的试验巷道为15103 工作面回风顺槽，沿15102 工作面采空区边缘15 号煤层顶板布置，掘进断面尺寸5 m×4 m。为提高煤炭资源采出率，计划在两个工作面之间留小煤柱。15103 和15102 工作面巷道布置如图1 所示。

图1 15103 和15102 工作面巷道布置

2 小煤柱合理留设宽度研究

2.1 小煤柱宽度理论计算

由图1 可知，15103 工作面小煤柱两侧分别为15102 工作面采空区和15103 工作面回风顺槽。基于围岩极限平衡理论，小煤柱宽度计算公式由式（1）得出，计算示意图如图2 所示[9-10]。

图2 小煤柱宽度计算模型

式中：X1为15102 工作面回采后形成的塑性区宽度，计算公式由式（2）得出；X2为15103 回风顺槽煤柱帮的支护锚杆长度，取2.4 m；X3为煤柱的安全系数，按0.15～0.35（X1+X2）计算。回采后形成的煤柱塑性区宽度X1计算公式如下：

式中：M为煤层采高，取3.8 m；λ为侧压系数，取0.6；φ为煤体内摩擦角，取22°；K为应力集中系数，取1.8；γ为上覆岩层平均容重，取0.025 MN/m3；H为试验巷道平均埋深，取190 m；C为煤柱与顶板交界处黏聚力，取1.2 MPa；p为15102工作面采空区侧对煤柱的支护阻力，取0.2 MPa。

以上数据代入式（2）计算可得：X1=3.52 m，X3=0.89～2.07 m，则小煤柱合理宽度L为6.81～7.99 m。综合考虑，15103 工作面沿空掘巷小煤柱宽度建议取7 m。

2.2 小煤柱宽度模拟分析

2.2.1 数值模型建立

为了更好地研究区段小煤柱的采动应力状态，采用FLAC3D数值模拟软件对小煤柱内应力场的分布规律进行模拟分析。数值模型尺寸根据实际工程情况设定，模型尺寸为400 m×200 m×140 m（长×宽×高），煤岩层厚度按地质综合柱状图平均厚度确定，煤岩层物理力学参数按实验室测定数据确定。建立的分析模型上表面为自由面，施加均匀的垂直压应力模拟上覆岩层载荷，固定模型下表面垂直位移，对模型侧面施加水平压应力，屈服准则采用摩尔—库仑力学模型。

2.2.2 模拟结果分析

根据理论计算得出的小煤柱合理留设宽度，分别模拟5 m、6 m、7 m、8 m 煤柱宽度条件下的应力分布特征，模拟结果如图3～图4 所示。

图3 不同宽度煤柱垂直应力情况

由图3 可以看出，15103 回风顺槽实体煤帮的垂直应力随煤柱留设宽度的增加而减小，但变化不是很大。区段煤柱中的垂直应力随煤柱留设宽度的增加而增大，当煤柱宽度为5～6 m 时煤柱中垂直应力变化不是很明显，基本保持在5 MPa 左右；煤柱宽度为7 m 时开始出现应力核，但范围比较小；煤柱宽度增加到8 m 时，应力核的范围明显变大，煤柱中垂直应力为8～9 MPa。

由图4 可以看出，15103 回风顺槽实体煤帮的水平应力变化不大，基本保持稳定，区段煤柱中的水平应力随着煤柱留设宽度的增加而增大。煤柱宽度为5～7 m 时，其水平应力变化范围是1～2 MPa，说明水平应力随煤柱宽度增大的幅度不是很明显；当煤柱宽度为8 m 时，煤柱中开始出现应力核，该区域水平应力达2～3 MPa。

通过以上分析，5 m 煤柱不如6 m 煤柱的承载能力强；当煤柱宽度为7 m 时，由于煤柱中央应力核的存在，煤柱承受的垂直应力与水平应力要大于5 m 和6 m 宽度的煤柱；煤柱宽度超过7 m，煤柱中的垂直应力和水平应力明显增大，煤柱容易出现失稳破坏。综上所述，考虑保证煤柱及巷道稳定性前提下，为最大限度地提高资源回收率，根据数值模拟结果，小煤柱留设宽度取7 m 为宜，该结果与前文理论计算相同。

3 沿空掘巷支护方案

3.1 巷道布置方式

15103 回风顺槽沿15 号煤层顶板掘进，邻近15102 工作面采空区布置，中间留设7 m 宽的护巷煤柱。15103 回风顺槽为矩形断面，掘宽5 m，掘高4 m，掘进断面积20 m2，净宽4.8 m，净高3.9 m，净断面积18.72 m2，设计掘进长度460 m，巷道用途为15103 工作面回风、材料运输及行人。

3.2 掘进期间支护方案

3.2.1 顶板支护

巷道顶板采用6 根Ф22 mm×2400 mm 的螺纹钢锚杆配合4.8 m 长的H 型钢带进行支护，中间4根锚杆垂直顶板布置，靠近巷帮处的2 根锚杆外斜15°布置，每根锚杆采用1 支K2335 和1 支Z2360树脂锚固剂，间排距850 mm×1000 mm。在每2排锚杆间布置2 根Ф18.9 mm×7000 mm 的钢绞线锚索，每根锚索采用1 支K2335 和2 支Z2360 树脂锚固剂，锚固长度1760 mm，锚索间排距2000 mm×2000 mm。锚索配备300 mm×300 mm×14 mm 高强度可调心托板。锚杆的锚固力152 kN，预紧扭矩300 N·m；锚索的锚固力331 kN，张拉预紧力205 kN。

3.2.2 实体煤帮支护

实体煤帮采用5 根Ф22 mm×2400 mm 的螺纹钢锚杆配合3.2 m 长的H 型钢带支护，中间3 根锚杆垂直巷帮布置，靠近顶（底）板处的帮锚杆上（下）斜15°布置，每根锚杆采用1 支K2335 和1 支Z2360 树脂锚固剂，间排距900 mm×1000 mm。帮锚杆的锚固力125 kN，由于煤体强度低，预紧力过大易造成锚杆失效，预紧扭矩设计为200 N·m。

3.2.3 小煤柱帮支护

小煤柱帮采用5 根Ф22 mm×2400 mm 的螺纹钢锚杆配合3.2 m 长的H 型钢带支护，锚杆布置方式与实体煤帮锚杆支护相同。考虑到小煤柱帮受15102 工作面采动应力影响，为提高煤柱的稳定性，在每2 排帮锚杆间布置1 根Ф18.9 mm×5300 mm 的钢绞线锚索作为加强支护，帮锚索排距2000 mm，距顶板1400 mm，垂直巷帮打设。15103 回风顺槽支护方案如图5 所示。

图5 15103 回风顺槽支护方案（mm）

3.3 回采期间加强支护

15103 工作面回采时，受工作面回采动压影响，小煤柱巷道容易出现变形失稳。超前支承压力的影响范围一般为20 m，需要对该范围内巷道进行加强支护。为提高支护效果，超前工作面20 m 巷道采用3 组6 架ZQL2×4000/22/45 型超前支架进行支护，支架中心距1990 mm，顶梁长度6 m，两组超前架中部侧板间距不超过1000 mm，侧护板距煤帮不超过500 mm，工作阻力4000 kN，初撑力不低于3092 kN，乳化液泵站压力30 MPa。

4 工程效果分析

4.1 矿压监测分析

为验证15103 工作面沿空掘巷7 m 小煤柱留设的合理性和支护方案的可靠性，对15103 回风顺槽掘进及回采期间的顶底板和两帮移近量进行了持续观测。巷道内共设置3 个表面位移测站，采用“十字布点法”进行观测。矿压观测数据表明：15103回风顺槽在沿空掘进期间顶底板移近量和两帮移近量整体较小，巷道掘出后前15 d 变形较大，15 d 后变形速度放缓，30 d 后基本趋于稳定。掘进期间顶底板平均移近量72 mm，两帮平均移近量105 mm，巷道支护状况良好。在15103 工作面回采过程中，超前工作面100 m 以外，巷道保持稳定；距工作面100 m 时，顶底板和两帮开始出现缓慢位移；随着工作面推进，围岩变形速度急剧增加，在距工作面20 m 处，顶底板移近量达到240 mm，两帮移近量达到510 mm；进入超前支护范围内，由于超前支架的强力支撑，顶底板移近量增加不大，但两帮变形进一步加剧。从设置表面位移测站到工作面回采至该位置，顶底板移近量共计291 mm，两帮移近量为812 mm，最大断面收缩率不超过25%，变形量处于可控范围，巷道整体维护状况良好，说明采用锚杆索联合支护+超前支架加强支护对围岩变形起到很好的控制作用。

4.2 巷道瓦斯含量监测分析

15103 回风顺槽沿空掘进期间巷道内瓦斯含量稳定在0.04%～0.08%之间，15103 工作面回采过程中，巷道内瓦斯含量有所增加，回风流中瓦斯浓度保持在0.04%～0.12%之间，未发生大范围的瓦斯浓度波动，说明留设的7 m 小煤柱有效防止15102 工作面采空区瓦斯溢入15103 工作面，对采空区起到了很好的隔离作用。

4.3 经济效益分析

在15103 工作面采用小煤柱沿空掘巷，将区段煤柱的宽度由15 m 缩小至7 m，可多回收8 m 宽度的煤柱资源。15103 工作面推进长度取420 m，采高取3.8 m，15 号煤容重取1.42 t/m3，回采率取93%，理论计算多回收煤炭1.69 万t，按煤炭价格450 元/t 计算，可创收758 万元，经济效益显著。

5 结论

1）基于围岩极限平衡理论，结合15103 工作面的开采条件，理论计算得小煤柱合理宽度为6.81～7.99 m，综合考虑取7 m 为宜；在采动影响下对5 m、6 m、7 m、8 m 四种宽度的煤柱进行数值模拟分析，最终确定15103 工作面小煤柱合理留设宽度为7 m。

2）设计了小煤柱沿空巷道支护方案，掘进期间顶板和两帮采用2.4 m 锚杆支护，顶板采用7 m长锚索、煤柱帮采用5.3 m 短锚索支护，回采期间对超前工作面20 m 范围内巷道采用超前支架加强支护。

3）通过对巷道变形量和瓦斯含量进行监测，15103 回风顺槽在掘进至回采期间顶底板最大移近量291 mm，两帮最大移近量812 mm，围岩变形处于可控范围，瓦斯含量也处在工程允许范围内，实现了小煤柱工作面安全高效回采。

4）15103 工作面通过留7 m 煤柱沿空掘巷实现了小煤柱开采，较15 m 大煤柱开采方案多回收煤柱资源1.69 万t，创收758 万元，经济效益显著，具有良好的推广应用前景。