復(fù)合災(zāi)害綜放工作面窄煤柱沿空掘巷安全技術(shù)應(yīng)用

雒 軍 莉

（兗礦新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 郵編831100）

1 概 況

硫磺溝煤礦主采4-5 號煤層和9-15 號煤層。4-5 號煤層平均厚度為6.73m，9-15 號煤層厚度28.01～38.83m，平均厚度32.94m，是井田唯一特厚煤層，兩層煤的層間距28.23m。（4-5）06 工作面位于（4-5）04 工作面北部，西部距井田邊界20m，東部為副斜井保護煤柱，北部為未采動的實體煤,工作面軌道順槽標(biāo)高+698.3m～+617.3m，最大埋深568m，最小埋深432m。

2 詳細(xì)實施內(nèi)容

2.1 沿空掘巷窄煤柱研究的基礎(chǔ)條件

1）現(xiàn)（4-5）06 工作面，軌道順槽最大埋深557m，最小埋深435m。（4-5）06 工作面皮帶順槽最大埋深662.5m，最小埋深486.1m。

2）該區(qū)域地層主體構(gòu)造為向北西傾的單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡單。巷道掘進過程中可能會受到FD5(∠55 ～60°，H=0 ～7m)、FD6 (∠50 ～55°，H=0 ～10m)逆斷層影響，兩條斷層為可靠斷層，落差較大。（4-5）04 工作面皮帶順槽掘進時揭露5 條逆斷層，預(yù)計（4-5）06 工作面軌道順槽掘進過程中可能揭露這5條逆斷層，最大落差為3.0m。

3）老頂為砂質(zhì)泥巖，厚9.8～11.3m，黑灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，局部含砂質(zhì)，塊狀；直接頂為粉砂巖，厚5.8～6.4m，灰白色，單斜層理，泥質(zhì)膠結(jié)，以長石為主。直接底為細(xì)砂巖，厚1.03～8.06m，灰色、深灰色，薄層狀，微波狀層理，水平層理，夾粉砂巖薄層，硬度較大，局部含泥巖。

5）硫磺溝煤礦+777～+665m 水平的地應(yīng)力場目前仍以垂直應(yīng)力為主，屬于垂直應(yīng)力場類型；最大水平主應(yīng)力已跟垂直應(yīng)力接近，硫磺溝煤礦最大水平主應(yīng)力方位角集中在34.5～90.6°之間，與工作面順槽軸向夾角均小于35°。

2.2 沿空掘巷窄煤柱合理尺寸分析

1）4-5 煤層上覆巖層結(jié)構(gòu)。

沿空順槽的穩(wěn)定性取決于上覆巖層能夠形成穩(wěn)定的懸臂梁結(jié)構(gòu)，即上覆巖層有一較厚的巖層形成梁（拱）結(jié)構(gòu)承擔(dān)其上巖層的應(yīng)力，使沿空巷道位置僅承受結(jié)構(gòu)下方較為松散又經(jīng)加固巖層的重量，屬于給定載荷狀態(tài)。

（4-5）06 煤平均厚度為6.52m，按冒落帶高度是3-5 倍采高計算，4-5 煤層頂板的粉砂巖和砂質(zhì)泥巖都破壞冒落（圖1），再其上巖層的狀態(tài)暫不分析（找不到相關(guān)資料）。一般來說，形成梁（拱）結(jié)構(gòu)的條件較為簡單，不會成為影響小煤柱尺寸選擇的主要因素。

圖1 4-5 煤層開采后頂板冒落狀態(tài)

2）4-5 煤層開采后采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律。

4-5 煤層開采后采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布可通過現(xiàn)場實測（應(yīng)力計或次生應(yīng)力測量得到），或都通過工作面礦壓觀測結(jié)果得到（目前無具體數(shù)據(jù)）。

以下僅根據(jù)目前可用資料進行分析，在保留沿空煤柱為7m 的條件下，（4-5）06 工作面軌順內(nèi)幫施工大直徑卸壓鉆孔深度為6-8m 后難已鉆進，且目前軌順內(nèi)幫掘進后部分地段變形較大，可以推斷距內(nèi)幫6-8m 是高應(yīng)力區(qū)（以下按8m 分析）。支承壓力峰值區(qū)位置是變化的，主要是由于上覆巖層的不均衡破斷引起的。按此推算，可以確定（4-5）04 工作面開采后，向下方側(cè)向支承壓力峰值距采空區(qū)邊緣為18.6m（此數(shù)據(jù)量取時區(qū)段煤柱為6.3m），這個數(shù)據(jù)與常規(guī)礦壓認(rèn)識相符，即符合開采深度、煤層開采厚度、頂板條件等因素。

圖2 （4-5）04 工作面采動影響下的應(yīng)力計算圖

按此處巷道埋深500m 計算，側(cè)向支承壓力峰值取1.8，峰值區(qū)的應(yīng)力值約為22.5MPa（圖2），由此做出當(dāng)煤柱尺寸為7m 時，（4-5）06 工作面軌順煤層上方支承壓力分布曲線（圖中實線），并進一步做出（4-5）06 工作面軌順未掘出時的支承壓力曲線（圖中部分為虛線）。比較煤柱尺寸為4m 與7m 時，（4-5）06 工作面軌順未掘進時內(nèi)幫的應(yīng)力差，經(jīng)做圖計算兩者數(shù)值相差3MPa，相當(dāng)于埋深減小120m，所以當(dāng)小煤柱尺寸取4m 時，可以確定（4-5）06 工作面軌順內(nèi)幫的應(yīng)力值將大大降低，不僅巷道易于維護，也將大大降低應(yīng)力集中帶來的沖擊地壓危險，尤其是工作面回采期間工作面前方軌順內(nèi)幫穩(wěn)定性大為提高。

3）（4-5）04 工作面皮順與（4-5）06 工作面軌順空間位置及相互作用分析。

由于煤層傾角的關(guān)系，（4-5）04 工作面皮順與（4-5）06 工作面軌順在高度上相差較大，當(dāng)兩巷道間煤柱尺寸為4m 時，兩巷道在高度上的凈煤柱仍有2.3m（圖3）。

圖3 （4-5）06 工作面軌順留4m 護巷煤柱時的巷道位置圖

在以上的空間位置關(guān)系中，（4-5）04 工作面皮順相當(dāng)于（4-5）06 工作面軌順的卸壓硐，可有效降低（4-5）06 工作面軌順?biāo)艿膽?yīng)力值。

兩巷間留4m 煤柱不利之處在于（4-5）06 工作面軌順左側(cè)上方煤體的完整性遭到破壞，并可能受到積水浸泡的影響，給支護帶來一定難度，要注意提高（4-5）06 工作面軌順左側(cè)上方的支護質(zhì)量。另外，（4-5）04 工作面采空區(qū)的積水要進行嚴(yán)格控制。

3 實際應(yīng)用效果及推廣情況

通過采用理論研究和現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的方式，形成了綜放工作面窄煤柱沿空掘巷安全保障技術(shù)體系。解決了大傾角高瓦斯易自燃煤層沿空掘巷圍巖變形大、瓦斯涌出量大、鄰近采空區(qū)煤自燃形式嚴(yán)峻等為題，實現(xiàn)了窄煤柱護巷，大幅度降低了煤炭資源的浪費。本項目的研究成果可有效提高我國大傾角高瓦斯易自燃煤層沿空掘巷條件下開采的安全高效性，對于保障礦井安全高效生產(chǎn)推進我國高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井建設(shè)具有重要的參考借鑒和推廣價值以及重大的經(jīng)濟效益和社會效益。

該技術(shù)成果是在硫磺溝煤礦（4-5）06 掘進工作面進行技術(shù)方案的應(yīng)用。2017 年9 月至2018 年9 月期間（4-5）06 軌道順槽掘進工作面安全高效，掘進1850m，相鄰采空區(qū)煤柱寬度由原來的40m 減小到4m，累計節(jié)約煤炭資源量53.24 萬t，具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景和經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢。

4 經(jīng)濟效益

現(xiàn)場實施以來（4-5）06 軌道順槽掘進工作面安全高效掘進1850m，相鄰采空區(qū)煤柱寬度由原來的40m 減小到4m，節(jié)約了大量煤炭資源。按煤炭時價180 元/t，噸煤成本100 元/t，則應(yīng)用該項目成果所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為：

節(jié)約煤炭資源量= （40-4）×6.15×1850×1.3/10000=53.24 萬t

新增產(chǎn)值=51.76 萬t×180 元/t=9316.8 萬元

5 結(jié) 論

硫磺溝煤礦（4-5）06 工作面窄煤柱沿空掘巷技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用，不僅有效提高了礦井資源回收率，大大增加了礦井的經(jīng)濟效益，而且改善了相鄰采空側(cè)巷道的受力狀況，解決了采空區(qū)側(cè)巷道由于礦壓顯現(xiàn)明顯而嚴(yán)重制約掘進施工安全和生產(chǎn)效率的問題，解決了礦井相鄰采空區(qū)側(cè)巷道治理困難、無法有效支護的難題，同時對下一步開展窄煤柱穩(wěn)定性研究和推廣應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。