中厚煤層留窄小煤柱沿空掘巷技術(shù)

馬國軍

(神寧集團公司任家莊煤礦，寧夏 靈武 751400)

任家莊煤礦在3煤層以往開采過程中，為了降低工作面回采時支承壓力的影響，一直都采用25m的大煤柱護(hù)巷的方式。這種回采方式不僅造成了煤炭資源的巨大浪費，并且使下一工作面新掘進(jìn)的巷道正處于應(yīng)力增高區(qū)，提高了支護(hù)成本，增加了巷道維護(hù)量，又影響到回采面的正常生產(chǎn)[1-4]。為提高煤炭資源的回采率，保證礦井安全生產(chǎn)，在任家莊煤礦110307工作面進(jìn)行窄小煤柱掘巷，并逐步在相同條件礦井推廣使用[5-7]。

1 工作面概況

任家莊煤礦位于寧夏靈武市東北約20km的毛烏素沙漠的邊緣，礦井開采深度為235～860m，設(shè)計生產(chǎn)能力2.4Mt/a。110307工作面開采煤層為3號煤層，煤層傾角17°～20°，厚度為2.8～3.4m；直接頂為粉砂巖，局部含粘土質(zhì)。直接底為粉砂巖。110307工作面回風(fēng)平巷距地表垂深400～455m，巷道圍巖柱狀圖如圖1所示。

圖1 巷道圍巖柱狀圖

2 采空區(qū)側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律

任家莊礦一直采用區(qū)段回風(fēng)平巷與上區(qū)段運輸平巷間留設(shè)25m大煤柱的布置方法，隨著開采深度的逐漸增加(工作面深度從礦井設(shè)計時的235m增加到目前的455m)，礦壓顯現(xiàn)越來越強烈，特別是區(qū)段回風(fēng)平巷顯現(xiàn)更加明顯。南翼的110306工作面回風(fēng)平巷，受區(qū)段大煤柱支承壓力影響，出現(xiàn)了嚴(yán)重的巷道變形現(xiàn)象。因此改變煤柱留設(shè)尺寸勢在必行[8-12]。

工作面回采過程中支承壓力分區(qū)如圖2所示，圖2表明，區(qū)段煤柱的支承壓力隨著距離的增加，越向煤壁內(nèi)部，煤體受支承壓力越大，直到最大值，超過基本頂?shù)目箟禾?，基本頂隨之?dāng)嗔?，因此，煤壁的支承壓力根?jù)煤體破壞情況可劃分為彈性和非彈性區(qū)。

a—減壓區(qū)；b—增壓區(qū)；c—穩(wěn)壓區(qū)；d—非彈性區(qū)；e—彈性區(qū)圖2 支承壓力分區(qū)圖

采空區(qū)側(cè)巖層破壞情況如圖3所示，采空區(qū)側(cè)上覆巖層自下而上的垮落過程中，將產(chǎn)生的應(yīng)力主要作用在留設(shè)巷道處，增壓區(qū)內(nèi)留設(shè)巷道煤幫的兩幫移近量、底鼓量都急劇增大。上段工作面回采后，隨著時間的延續(xù)和上覆各巖層逐漸裂隙變形直至垮落，并達(dá)到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

Ⅰ—彎曲下沉帶；Ⅱ—破碎帶；Ⅲ—裂隙帶；Ⅳ—原巖應(yīng)力區(qū)圖3 采空區(qū)側(cè)巖層破壞情況

3 110307工作面小煤柱巷道壓力研究

3.1 110307工作面上覆巖層運動狀態(tài)

110307工作面與110305工作面采空區(qū)相鄰，110307工作面沿空小煤柱巷道受110305工作面上覆巖層運動影響較大，110305工作面覆巖頂板傳遞的載荷使得小煤柱巷道應(yīng)力重新分布，為計算小煤柱巷道位置煤體的支承壓力，對工作面頂板的運動狀態(tài)進(jìn)行分析，得到煤壁處支承壓力的結(jié)果。

3.2 110307工作面關(guān)鍵層的確定

110307工作面在2.4m中厚采高條件下研究整個上覆巖中的關(guān)鍵層，其上覆巖層結(jié)構(gòu)及厚度見表1，上覆巖層力學(xué)性能特征見表2。

根據(jù)關(guān)鍵層的支承特征及強度判別條件，編程計算研究了覆巖的關(guān)鍵層層位、載荷及破斷距，見表3，其中，破斷距為采用彈性地基梁的計算結(jié)果。

覆巖中共有4層關(guān)鍵層，其中15號層為主關(guān)鍵層，控制著其上所有巖層，它們隨主關(guān)鍵層的運動而同步運動、協(xié)調(diào)變形。其它3個關(guān)鍵層為亞關(guān)鍵層，亞關(guān)鍵層控制著局部上覆相對軟巖層的運動方式，被控制的軟巖與亞關(guān)鍵層協(xié)調(diào)變形。

4 窄小煤柱寬度及支護(hù)強度確定

4.1 采空區(qū)側(cè)向煤體完整性的確定

根據(jù)煤體破壞的程度、裂隙分布及承載能力，可將采空區(qū)側(cè)向煤體依次劃分為不完整區(qū)(A區(qū))、較完整區(qū)(B區(qū))和完整區(qū)(C區(qū))，如圖4所示，其中，A區(qū)煤體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，裂隙發(fā)育，無承載能力；B區(qū)煤體結(jié)構(gòu)較破壞，裂隙不發(fā)育，具有一定承載能力；C區(qū)煤體結(jié)構(gòu)未破壞，裂隙不發(fā)育，具有承載能力。為防止采空區(qū)內(nèi)的煤體自燃、瓦斯溢出等次生災(zāi)害的發(fā)生，沿空巷道需布置在B區(qū)或C區(qū)內(nèi)?？梢姡珹區(qū)寬度是確定沿空巷道位置的重要依據(jù)。

表1 110307工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)及厚度

表2 上覆巖層力學(xué)性能特征

表3 關(guān)鍵層運動特征參數(shù)

圖4 上區(qū)段工作面?zhèn)认蛎后w完整性分布

A區(qū)寬度可用注水測漏法進(jìn)行確定，鉆孔注水測漏測試方法如圖5所示，沿上幫上部向下依次施工鉆孔，鉆孔長度依次增大；將注水管插入頂部鉆孔，并采用封孔器封孔；擰開注水管閥門，進(jìn)行注水，觀察注水壓力，若壓力不變或者下降，認(rèn)為鉆孔落空位置與采空區(qū)之間的煤體破裂若注水壓力逐漸升高，認(rèn)為煤體完整；依次對其余鉆孔實施注水，觀察注水壓力變化情況。

圖5 鉆孔注水測漏示意圖

通過實施上述工藝，較準(zhǔn)確地測試出A區(qū)的寬度為1.5m左右，根據(jù)其他工作面煤壁揭露裂隙情況的測量，確定B區(qū)的寬度為4.5m左右。從災(zāi)害控制的角度考慮，區(qū)段煤柱寬度必須大于1.5m；從錨固支護(hù)(錨桿長度2.0～2.5m)的有效性考慮，煤柱寬度不能小于3m；從有利于維護(hù)小煤柱自身強度考慮，煤柱寬度應(yīng)不小于5.5m，因此，110307工作面巷道中心線距離采空區(qū)煤壁處8m，巷道寬度設(shè)計為4m，留設(shè)小煤柱的寬度確定為6m。

4.2 護(hù)巷煤柱載荷計算

對于老頂關(guān)鍵層來說，由于其自身強度大，來壓步距大，能夠在工作面采空區(qū)邊緣處形成新的力學(xué)結(jié)構(gòu)，維持自身及其以上巖層的平衡，留設(shè)小煤柱提供的支護(hù)只需適應(yīng)其頂板的下沉運動趨勢，但大部分煤體不能進(jìn)入到塑性變形階段。

支護(hù)結(jié)構(gòu)對直接頂?shù)闹ёo(hù)強度應(yīng)與直接頂載荷相對應(yīng)。直接頂載荷由兩部分承擔(dān)，一部分由懸吊在老頂巖層的錨索承擔(dān)，另一部分由具有殘余強度的煤柱承擔(dān)，其計算公式如式(1)所示：

式中，Q為載荷強度，kN/m；L為周期來壓步距，根據(jù)以往經(jīng)驗取15m；h1為基本頂厚度，此處取最大基本頂厚度5.4m；h2為直接頂厚度，取最大直接頂3.4m；γ為上覆巖層容重，取26.5kN/m3；a為巷道寬度，取4m；b為小煤柱寬度，取6m。

將有關(guān)參數(shù)帶如式(1)計算得：

=1974kN/m

每根懸吊錨索額定的支護(hù)力為270kN，錨索的支護(hù)密度為：每3m巷道內(nèi)有1根錨索，按此計算，每米巷道錨索分擔(dān)的支護(hù)力為90kN，護(hù)巷煤柱所應(yīng)承擔(dān)的支護(hù)阻力按照載荷最大的為1884kN/m，如果護(hù)巷煤柱的寬度為6.0m，每平方煤柱須承擔(dān)的壓力為0.314MPa?？紤]2倍的安全系數(shù)，護(hù)巷煤柱的支護(hù)強度為0.628MPa。即護(hù)巷煤柱煤體的殘余強度大于0.587MPa，可支撐住上部頂板。

4.3 巷道支護(hù)設(shè)計

巷道采用異形斷面施工，頂部錨桿選用Φ20mm×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800mm×800mm，在巷道正中布置錨索，錨索直徑17.8mm，長度6m，錨索間距2.4m；幫部錨桿選用Φ18mm×2000mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距800mm×800mm，巷道上幫打設(shè)一根單錨索加強支護(hù)，錨索直徑17.8mm，長度3.5m，間距2.4m。巷道支護(hù)設(shè)計如圖6所示。

圖6 巷道支護(hù)設(shè)計斷面圖(mm)

5 留窄小煤柱沿空掘巷效果分析

5.1 礦壓監(jiān)測結(jié)果分析

110307回風(fēng)平巷從2018年6月開始掘進(jìn)，距上區(qū)段110305采煤工作面收尾時間已間隔20個月，到2019年3月完成。2019年9月工作面開始回采，目前推進(jìn)180多米。

開始掘進(jìn)期間，掘進(jìn)工作面迎頭綜掘機掘進(jìn)后，上幫煤體強度低，并且裂隙較發(fā)育，使得上幫很容易“超挖”，掘進(jìn)工作面后方10～50m范圍內(nèi)，兩幫側(cè)有120～220mm的移近量，經(jīng)噴射水泥砂漿后，頂板及幫部圍巖基本穩(wěn)定。留窄小煤柱沿空掘巷實施后，進(jìn)行了礦壓監(jiān)測，巷道頂板下沉量為60mm，實體煤側(cè)移近量為220mm，窄小煤柱側(cè)位移量為120mm，底鼓量為300mm。而原支護(hù)巷道兩幫移近量達(dá)到600mm以上，底鼓量更是達(dá)1200mm。窄小煤柱比原支護(hù)底鼓量減少75%，兩幫移近量減少63%。窄小煤柱避免了支承壓力增高區(qū)，變形量小，易維護(hù)，滿足了生產(chǎn)要求。

5.2 經(jīng)濟效益分析

110307工作面留窄小煤柱沿空掘巷長度600m，走向長度為600m，與以往采用留25m保護(hù)煤柱的布置方式相比較，多回收的煤炭資源為65100t，按任家莊煤礦現(xiàn)行原煤價格(280元/t)計算，多回收的煤炭資源價值為1822.8萬元。

6 結(jié) 論

1)根據(jù)理論計算和經(jīng)驗結(jié)合，確定將3煤層沿空將巷道布置在C區(qū)偏采空區(qū)一側(cè)。巷道中心線距離采空區(qū)煤壁8m，巷道設(shè)計寬度4m，窄小煤柱的寬度為6m。

2)留設(shè)窄小煤柱后形成巷道的穩(wěn)定性好，變形量小，并且巷道易于維護(hù)，滿足安全生產(chǎn)需要。

3)通過110307風(fēng)巷留窄小煤柱沿空掘巷的應(yīng)用，在今后的區(qū)段回風(fēng)平巷布置中，積極推廣使用，將大大改善巷道受壓狀況，并大大提高煤炭回收率。