杜儿坪矿综采工作面小煤柱留设技术探究

（山西焦煤集团公司调度信息中心，山西 太原 030022）

1 工作面概况

山西焦煤集团公司杜儿坪矿主采3号煤层，煤层平均厚度5.75m，煤层及直接顶、底板强度均较低。综采工作面采用多巷布置，巷间煤柱40～60 m。73902工作面为该矿南九盘区第二个工作面，工作面东部为新华村回风井，西部为南七盘区，北部为南大巷，南部为矿井保护煤柱。工作面原煤柱尺寸为15m，回采巷道沿煤层顶底板掘进，巷道断面最大达到25～30 m2，工作面超前加强支护采用木垛梁及液压单体支柱，顶底板岩性见表1。

巷道局部地段处于奥灰水位以下。工作面绝对瓦斯涌出量0.65～1.55m3/min，相对瓦斯涌出量0.45～0.85m3/t，绝对二氧化碳涌出量0.35～0.74m3/min，相对二氧化碳涌出量0.26～0.55m3/t，瓦斯含量4.15～6.15m3/t。属低瓦斯工作面。

表1 煤岩结构及岩性特征

2 存在问题

工作面回采至距停采线450m时，回采巷道顶底板及两帮围岩出现不同程度变形，顶板破碎并形成网包，最大网包下沉量达到80 mm，超前支护段底鼓，底板破裂，造成部分单体柱失效倾倒，出现“吊柱”现象，巷道两帮也出现不同程度网包，并伴有间歇性煤炮声。

3 原因分析

回采巷道煤柱留设失效主要包括如下原因：一是巷道基本支护失效，即原锚网梁支护或架棚支护失效，造成巷道围岩整体失稳；二是加强支护失效，即后期补打锚索或套棚支护不能受力，降低巷道补强效果；三是煤柱支护失效，即保护煤柱因设计、煤质条件即顶板来压等原因失稳，见图2（a），出现不同程度损坏甚至煤柱坍塌，见图2（b）。

图2 护巷煤柱支护失效与整体垮塌

4 小煤柱尺寸模拟

利用FLAC3D数值软件建立采场数值模模型，参数设置见表2。

表2 采场数值模型参数设置

模拟按照理论计算值域，煤柱留设尺寸分为10m，8m，6m，4 m四种工况，各种工况条件下垂直应力分布云图见图3。

图3（a）:当留设煤柱宽度在10 m左右时，中央弹性核宽度为13.95 m；煤柱应力较为集中，主要原因为侧向支承压力叠加。

图3 不同尺寸煤柱垂直应力分布云图

图3（b）:当留设煤柱宽度在8 m左右时，中央弹性核宽度为3.02 m；此时煤柱应力集中程度减小，弹性核减小，说明侧向支承压力叠加效果进一步明显。

图3（c）:当留设煤柱宽度在6 m左右时，中央弹性核宽度为0m，说明此时煤柱弹性核消失，煤柱支撑力达到临界值。

图3（d）:当留设煤柱宽度在4 m左右时，中央弹性核宽度不再变化，说明此时侧向支承压力向煤体深部转移，煤柱临界值为6 m左右。

5 围岩控制方案

5.1 浅掘强化

根据现场工作面围岩特性，采用浅掘深、轻扰动围岩的掘进方式；要求掘进机减少一次进深，提高截割头转数，降低截割头移动速度，初期进深暂定0.8m，试验中依据围岩完整性及齿痕状况，作相应调整。同时在顶板及两帮施工全粘结式锚杆（索），试验中依据围岩完整性及其活动监测，相应调整支护参数。

5.2 加固底板

底板强固包括清底、锚固、浇筑人工底板等工序。即在工作面采动影响未到来之前对巷道底板施工底板锚杆进行加固，保证巷道底板岩层的整体塑性。锚杆采用1.5 m长的全粘结式锚杆，间排距均为1.0m，垂直底板打设。同时在底板铺设金属网，并在金属网上浇筑混凝土，构成人工钢筋混凝土底板。无载荷人工底板厚50 mm，载荷底板厚200 mm、400 mm，依据荷载要求确定。

5.3 护巷煤柱加固

护巷煤柱在正常巷道煤帮基础上，将一排锚杆改为锚索，锚杆长2.4m，锚索长4.3 m。并实行全长粘结式锚固形式，即需将锚余空间密封固结后，再安设锚杆（索）锁具、托盘。煤柱两侧面钢筋混凝土喷层厚度不小于50 mm，且与实体煤帮、钢筋网、顶底板喷层紧密凝结。留巷侧煤柱帮锚索在中间排，垂直巷道轴线，与煤层面上仰5°；在其上方与下方各布置一排锚杆，垂直巷道轴线，与煤层面平行。空区侧煤柱帮锚索在最上排，垂直巷道轴线，与煤层面上仰5°；在其下方布置二排锚杆，垂直巷道轴线，与煤层面平行。

6 现场效果

在现场进行了为期三个月的工业性试验，以2#横川处工作面煤柱尺寸改变后的横川处变化和底板变化为例，其前后效果对比见图4。

图4 小煤柱整体视图

由上图可以看出，试验巷道段2#横川处原先巷道保护煤柱尺寸为15m，巷道变形量较大，主要是工作面过断层和陷落柱致使煤柱长期处于超前支承压力应力峰值区域，掘进横川过程没有进行及时喷浆封闭，没能有效控制顶底板的移近。采用6 m小煤柱并对巷帮、底板强化加固后，工作面围岩能够保持整体塑性，顶底板、两帮移近量均在设计要求之内，说明煤柱处于工作面侧向移动支承压力的应力降低区，在合理支护阻力下，能够保障煤柱在回采期间的稳定性。

7 结语

针对杜儿坪矿主采3号煤层赋存条件和工作面实际情况，分析了73092工作面煤层巷道失稳的基本原因为，支护煤体为松散结构，随着时间推移和采动影响，松散结构逐渐扩大，导致锚杆（索）支护效果逐渐丧失，顶板发生局部破坏直至整体失稳，并针对性设计了工作面留设6 m保护煤柱的技术方案。现场结果表明，73092工作面留设6.0m煤柱处于工作面侧向移动支承压力的应力降低区，在合理支护阻力下，能够保障煤柱在回采期间的稳定性。实验证明，杜儿坪矿3#煤层综采工作面留设小煤柱的技术方案是可行的，对于提高井田回采率、降低巷道修复工程量、缓解矿井生产接续等问题具有重要的指导意义。