小煤柱工作面安全開采與圍巖控制技術(shù)

董 建

（大同煤礦集團鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 朔州037000）

綜放工作面布置過程中，為了確保采區(qū)內(nèi)各準(zhǔn)備巷道圍巖穩(wěn)定，需要在工作面與臨近采空區(qū)間留置支承煤柱，該類支承煤柱在回采結(jié)束可進行部分回收。這類小煤柱工作面通常處于兩已采工作面的采空區(qū)中間，已采工作面回采會造成采區(qū)上覆巖層圍巖結(jié)構(gòu)的破壞并改變礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為了確保殘留煤柱能夠順利回收，需要確定留置煤柱尺寸，頂板及配套巷道支護方案，以及其他主動圍巖控制技術(shù)的方案。本文根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，通過數(shù)值模擬方法，對此技術(shù)進行了研究。

1 工作面概況

大同煤礦集團某礦小煤柱工作面，屬石炭系3號煤層，所屬煤層地質(zhì)賦存條件良好，煤層厚度可達4.4～7.4 m，平均厚度能夠達到5.8 m，煤層走向平緩，煤層傾角僅為1°～3°，煤層存在1～4層以泥巖為主的夾矸層，該工作面走向長度能夠達到2 110 m，主采煤種為半暗型氣煤，預(yù)計可回收存量達到342萬t。工作面所處的3號煤層瓦斯相對相對涌出量0.57 m3/t、絕對涌出量3.42 m3/min，掘進面瓦斯相對涌出量2.00 m3/t、最大絕對涌出量0.44 m3/min，預(yù)計工作面開采過程中無瓦斯涌出危險。8113工作面巖層結(jié)構(gòu)中直接頂為厚度在4.91 m的砂泥巖、煤泥巖，老頂為厚度約6.91 m的礫巖、中砂巖。

2 工作面留置煤柱尺寸的確定

2.1 鄰近工作面礦壓觀測

3號煤層中8113工作面臨近8111綜放工作面一側(cè)，附近8101工作面、8103工作面已完成回采工作。8101工作面頂板初次來壓步距25～30 m，正?；夭傻闹芷趤韷翰骄?5 m（見圖1）。8103工作面頂板初次來壓步距為20～25 m，而正常推進時周期來壓步距為20 m，局部伴隨有來壓現(xiàn)象顯現(xiàn)。

5103巷為8103工作面與8101采空區(qū)間的臨空巷道，受上覆巖層壓力與8101采空區(qū)懸梁殘余應(yīng)力影響，造成巷道嚴(yán)重變形，部分?jǐn)嗝娓叨炔蛔?.5 m，5103臨空巷以單體支柱配合密集木垛的方式進行圍巖控制，前期采用“三梁三柱”的布置方式，后期改為“五梁五柱”，其排距900 m，柱間距800 mm，木垛間距為6 m。

5103巷采用十字監(jiān)測法布置巷道表面位移監(jiān)測站，依照十字監(jiān)測法測點的設(shè)置原則，測點應(yīng)沿巷道中心位置的垂直與水平方向設(shè)置，各測點超前50 m布置，范圍內(nèi)設(shè)置10個觀測斷層，采樣周期1 d/次。

2.2 FLAC2D數(shù)值模擬

以8113預(yù)采煤柱工作面的5113臨空巷構(gòu)建FLAC2D數(shù)值模擬模型，其垂直應(yīng)力隨8111工作面采空區(qū)間距離變化規(guī)律見下頁圖2所示。5113巷隨距離8111工作面采空區(qū)的間距，其垂直應(yīng)力隨距采空區(qū)距離增加而不斷增加，到距離約20 m處時達到峰值38.6 MPa，再隨距離增加而開始下降，最終不斷趨近原巖應(yīng)力值，而當(dāng)距8111工作面距離0～9 m時，所需要的支承應(yīng)力會小于原巖應(yīng)力，同時結(jié)合實際情況，最終選取5113臨空巷留設(shè)煤柱尺寸為8 m。

圖2 5113巷側(cè)固定支撐壓力分布圖

3 臨空巷圍巖控制方案

3.1 巷道頂板管理

5113臨空巷頂板管理參照鄰近8103工作面對5103臨空巷處理經(jīng)驗的基礎(chǔ)，除選擇單體支柱與密集木垛支護，對巷道頂板和兩幫采用“錨桿+錨索+鋼帶+鋼梁+金屬網(wǎng)+噴漿”的聯(lián)合支護方式。密集大范圍超前支護的布置方式與5103巷采用同樣的“五梁五柱”的布置方式，但密集支護的超前管理范圍由5103巷的50 m調(diào)整為300 m（詳細布置圖見圖3）。

圖3 5113巷超前支護斷面圖（mm）

“錨桿+錨索+鋼帶+鋼梁+金屬網(wǎng)+噴漿”的聯(lián)合支護方案的具體參數(shù)為：頂錨桿均選用Φ22 mm×3 000 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間距800 mm、排距1 800 mm；錨索選Φ21.8 mm×8 000 mm的鋼絞線，間距1 100 mm、排距1 800 mm。噴漿厚度為100 mm，混凝土標(biāo)號為C20。工作面?zhèn)儒^桿均選用Φ20 mm×2 000 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間距900 mm、排距900 mm；煤柱側(cè)錨桿均選用Φ22 mm×3 000 mm的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間距900 mm、排距900 mm，具體支護形式見圖4。

圖4 5113巷斷面圖及頂板支護俯視圖

3.2 水壓致裂弱化圍巖

3號層中8111工作面對頂板采用水壓致裂技術(shù)對頂板圍巖進行超前弱化處理，起到良好的應(yīng)力消除效果，極大的改善了工作面內(nèi)的臨空巷受上覆巖層與鄰近采空區(qū)殘余應(yīng)力影響所造成的巷道斷面變形狀況。如果需要對8113工作面頂板進行水壓致裂弱化圍巖，需要使鉆孔分別穿過4.91 m厚煤層，和厚度6.91 m作為關(guān)鍵層的含礫粗砂巖層，結(jié)合該巖層性質(zhì)在5113巷煤柱幫側(cè)設(shè)置水壓致裂鉆孔，孔深15 m，每排孔間距15 m。

圖5 5113巷致裂關(guān)鍵層示意圖（mm）

3.3 其他圍巖控制措施

1）小煤柱工作面開采過程中需要布置和開鑿調(diào)向硐室，為了確保5113臨空巷頂板穩(wěn)定性，應(yīng)保證調(diào)向硐室的開鑿不會留設(shè)煤柱的支護強度，應(yīng)將調(diào)向硐室設(shè)置在工作面煤壁側(cè)。

2）由于小煤柱工作面仍采用一次采全高處置采空區(qū)，借鑒類似的開采經(jīng)驗，回采過程需要采用大阻力支架，液壓支架工作阻力應(yīng)大于13 000 kN，其中位于工作面尾部約20～25 m的頂板應(yīng)力峰值區(qū)域應(yīng)采用25個15 000 kN支架。

4 安全開采措施

8113工作面回采過程除頂板沖擊地壓和礦壓顯現(xiàn)等地質(zhì)問題外，還存在工作面水害、有毒有害氣體、礦井火災(zāi)等隱患。8113工作面相對鄰近8111工作面走向較低，且留置煤柱寬度8 m，由地質(zhì)構(gòu)造及裂隙發(fā)育會建立的水流流動通道，即8111工作面采空區(qū)一旦積水有很大可能會向8113工作面滲透。8113工作面回采過程自身會有瓦斯、CO等有害氣體析出，并且8113工作面局部采用負(fù)壓通風(fēng)，8111臨近采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯、CO由于漏風(fēng)通過留設(shè)煤柱滲透進入8113工作面。3號煤層中煤炭存在自燃傾向，8111工作面和8113工作面采空區(qū)都會由于采空區(qū)的漏風(fēng)而發(fā)生遺煤自燃。

1）水患治理措施。工作面水害治理一方面在于減少積水，新工作面回采前提前在小煤柱內(nèi)打孔放8111采空區(qū)積水。另一方面完成積水排放后，及時通過馬麗散等高分子材料對鉆孔和煤柱裂隙進行封堵，鉆孔封堵長度應(yīng)確保＞5 m以上。

2）瓦斯治理措施。瓦斯治理在于一方面減少臨近采空區(qū)內(nèi)有害氣體進入8113工作面內(nèi)，一方面通過馬麗散對裂隙進行封堵，并對5113巷表面進行噴漿加固。另一方面加強8113工作面內(nèi)局部通風(fēng)管理，對易出現(xiàn)瓦斯、CO等有害氣體超限以及低氧問題的上隅角進行必要的導(dǎo)風(fēng)、增加工作面供風(fēng)量和均壓通風(fēng)措施。

3）防滅火措施。8113工作面與8111工作面回采過程及時進行注氮防滅火措施，做到隨采隨注，使采空區(qū)深部氧含量下降到防火惰化指標(biāo)以下，并確保800 m3/h以上的注氮量。當(dāng)8111工作面停采撤架后及時對采空區(qū)和巷道進行密閉，需進行大量的泥漿灌注，并對密閉內(nèi)設(shè)置溫度和氧濃度監(jiān)控。一旦工作面和采空區(qū)到達自然發(fā)火期之前或有火災(zāi)預(yù)兆，及時進行注氮和注漿措施進行火災(zāi)防治。

5 結(jié)論

1）通過對8113工作面地質(zhì)及賦存條件和已采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究，結(jié)合生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，利用FLAC2D分析模型，確定了合理的留設(shè)煤柱尺寸。選用密集支柱配合“錨桿+錨索+鋼帶+鋼梁+金屬網(wǎng)+噴漿”聯(lián)合支護的方式對5113臨空巷進行頂板圍巖控制，并超前進行水壓致裂對工作面高應(yīng)力區(qū)圍巖進行弱化處理，同時現(xiàn)場回采過程選取大工作阻力液壓支架確保生產(chǎn)安全平穩(wěn)進行。

2）在布置8113等小煤柱工作面，預(yù)計可有效回收3號、5號、8號等各主采煤層邊角和殘留煤柱的原煤2495萬t。具有較好的經(jīng)濟效益，也為類似工作面提供參考。