大埋深厚煤层小煤柱沿空掘巷技术在石拉乌素煤矿的应用

蔡先杭 薛红波 李福振

兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，中国·内蒙古 鄂尔多斯 017101

1 引言

石拉乌素井田位于中国内蒙古自治区东胜煤田呼吉尔特矿区，地处鄂尔多斯市境内，行政区划属鄂尔多斯市伊金霍洛旗札萨克镇管辖。石拉乌素井田基本上为一梯形，南北宽约7.35km，东西均约9.40km，面积约70.644km2。井田基本构造形态总体为一向西北倾斜的单斜构造，岩层倾角小于2°，局部有起伏，褶皱、断层发育程度低。

2 巷道基本地质概况

2.1 相对位置及邻近采区开采情况

221上01工作面所在水平为+650m水平，地面标高+1373.3～+1405.31，平均1390.7m，工作面标高+683.5～+691.0m，平均 687.3m。地面位置位于矿井中部，吉祥福慧寺东侧，大96油气井南侧，查吉线公路从工作面经过。井下位于222采区中西部，其西南侧的2-2上17工作面已回采完毕，东侧的2-2上01胶运顺槽正在掘进，南侧为2-2上01横贯及2-2中辅运大巷1、东翼2-2中胶带大巷、东翼2-2上回风大巷。

2.2 煤层赋存及顶、底板情况

221上01工作面设计走向长度2475m，其中沿空段设计长度987.6m，倾向长度300m，开采2-2上煤层，煤层厚度4.66～5.6m，平均4.99m，煤层倾角0°～4°，煤层产状整体变化不大。煤层结构复杂，煤层上部含1～3层泥岩夹矸，巷道北部一层，向南逐渐变多，夹矸厚度不匀，巷道北部较厚，南部相对较薄。煤层普氏系数（f）一般在1.79左右，为软～中等硬度煤层。煤层底板为砂质泥岩；老顶为灰白色中细砂岩，泥质胶结，层理较发育，煤层顶底板赋存条件见表1。邻近已回采结束的221上17工作面采用全部垮落法管理顶板[1]。

表1 煤层赋存条件

续表

3 合理煤柱宽度综合分析与确定

3.1 煤柱宽度理论计算

综合考虑资源节约、巷道围护等因素，根据巷道极限平衡理论计算公式计算得出最小煤柱宽度，计算过程如下：

其中，x0为上区段回采形成的塑性区宽度，m；m为巷道高度，5.2；A为测压系数，取1.5；C为煤体的粘聚力，取3Mpa；ϕ0为煤体的内摩擦角，取30°；K为应力集中系数，取3.5；H为巷道埋深，取700m；ρ为上覆岩层平均重度，取2.4t/m3；P为巷帮煤体的支护阻力，取0.1Mpa。通过以上理论计算，留设小煤柱宽度应不大于12.88m，才能避开支撑压力峰值点，使煤柱处于应力降低区。

3.2 数值模拟的建立及模拟方案

根据综合柱状图得到煤岩层参数如下：共取5个层位，自下而上分别是中粒砂岩、砂质泥岩、2-2上煤、中粒砂岩、砂质泥岩，它们厚度则分别取为18m、3m、5m、14m、10m。岩层本构模型选用摩尔库伦模型，根据矿围岩赋存条件和现场提供的资料，数值模型中各岩层、煤层及节理力学参数确定见表2。

表2 主要岩层力学参数表

最终确定建立模型大小为50m×60m×50m，并在模型左、右及底边界固定位移，在模型上方边界施加垂直应力17.1MPa，X方向施加应力24.4MPa，Y方向施加应力9.3MPa。

本数值模拟方案通过模拟不同煤柱宽度对于沿空掘巷的影响，包括掘进期和回采期，从巷道总体变形及小煤柱内应力分布进行分析，进而确定最佳煤柱宽度。确定最佳煤柱宽度后，在此基础之上确定合理的支护方案，从掘巷期和回采期两个时期，针对巷道变形进行分析。

3.3 小煤柱宽度的确定

3.3.1 掘巷期间

上一工作面采动稳定后，根据煤柱宽度不同进行沿空掘巷。掘巷期间巷道变形量随着煤柱宽度的增加，巷道总体变形量呈先减小后增大的态势。煤柱宽度为4、5、6m时，巷道总体变形量较小，煤柱宽度为3、7m时，巷道总体变形量较大。

结合图1煤柱内部应力曲线可以看出，煤柱内垂直应力大小随着煤柱宽度的变化而变化，曲线呈马鞍状分布。两边垂直应力均小于原岩应力，靠近采空区侧应力基本为零，表明窄煤柱破坏首先从两边剥落开始。煤柱宽度由3m增大到7m时，峰值逐渐增高，煤柱宽3m时峰值最小，为16.4MPa，7m时峰值最大，为36.5MPa；煤柱宽6m时，应力峰值急剧增大。应力峰值的位置不在煤柱中心，而是在中心偏向采空区一侧。这是因为沿空掘巷期间的应力扰动，造成巷道边缘煤体由弹性转化为塑性，承载能力降低，煤柱弹性区偏向采空区侧，导致应力峰值偏向采空区侧。

图1 掘进期不同煤柱宽度时煤柱内部垂直应力分布

当煤柱宽度较小时，如3m宽度煤柱，受上区段回采及掘巷扰动后煤柱发生严重破碎，故煤柱中的垂直应力较小，其承受上覆载荷的能力也较弱；煤柱宽度6～7m时，煤柱上载荷明显增加，煤柱自稳能力增加，其承载能力也增强，但随着煤柱的进一步增加，煤柱承载的压力也显著增加，高应力作用极易诱发煤柱产生变形破坏，不利于留巷围岩的有效控制和长期稳定[2]。

3.3.2 回采期间

由图2、图3可见，不同宽度护巷煤柱回采期间围岩变形总体分为三个阶段：第1阶段为超前工作面30m，第2阶段超前工作面20～30m，第3阶段为工作面前方20m范围内。第1个阶段内，小煤柱宽度为3m、7m时，巷道变形量最大，顶底板变形量分别为537mm、389mm，两帮变形量为427mm、743mm；5m煤柱巷道变形量最小，顶底板变形量为131mm，两帮变形量为129mm。第2个阶段内，沿空掘巷受超前采动影响加剧，巷道变形量明显增加，变形增量也显著增大。前两个阶段内，4m、5m、6m煤柱宽度下巷道变形量相近，3m、7m煤柱宽度下巷道变形较剧烈。第3个阶段即工作面前方20m范围内，巷道围岩变形量急剧增加，小煤柱由于受到超前采动压力影响，围岩急剧破碎，向巷道内鼓出，并导致实体煤帮应力分布进一步恶化，实体帮随之发生大变形。

图2 受超前采动影响沿空掘巷顶底板变形量

图3 受超前采动影响沿空掘巷两帮变形量

不同宽度煤柱沿空掘巷回采时，超前工作面20m范围内距工作面相同距离处掘巷两帮变形量的大小关系为：煤柱宽7m时，帮部变形量最大，为1826mm；煤柱宽5m时两帮变形量最小，为436mm。顶板变形量的大小关系为：煤柱宽3m时，顶底变形量最大，为1462mm；煤柱宽5m、6m时顶底变形量最小，分别为436mm、432mm。

由图4可知，回采期间，不同煤柱宽度下的应力峰值明显增加，且峰值距离沿空留巷煤柱帮距离增大。这是因为本工作面回采期间，超前支承压力的剧烈影响，靠近采空区侧煤柱被压实，煤柱内部靠近巷道侧塑性破坏程度及宽度加大，承载能力降低，应力峰值进一步向上工作面采空区靠近[3]。

图4 回采期不同煤柱宽度时煤柱内部垂直应力分布

选取合理小煤柱宽度，主要考察的是煤柱本身完整性、自稳与承载能力、巷道维护的难易程度。除考虑巷道围岩的变形外，还应该保证小煤柱的完整性及自稳，同时要有良好的承载能力。从巷道围岩变形的角度来考虑，无论是掘进阶段还是回采阶段，煤柱宽度4～6m时巷道变形量较小；从小煤柱的完整性及自稳来考虑，煤柱宽度不大于4m时，煤柱受上区段回采及掘巷扰动影响严重破碎；从小煤柱的承载能力来考虑，煤柱宽度5～7m范围内其承载能力显著提升。结合以上分析，最终确定小煤柱宽度为5～6m。

通过FLAC3D对石拉乌素221上01辅运顺槽南段沿空掘巷进行了模拟，分析了沿空掘巷后和回采时煤柱和巷道的应力分布和位移变化，通过对模拟所得数据进行处理，最终确定小煤柱宽度为5～6m。

4 工程实践

4.1 根据现场地质条件，确定支护方案如下

顶板采用φ22mm×3000mm，屈服强度500Mpa的高强度螺纹钢配合高凸桁架钢带支护，间排距800mm×800mm；采用2支CK2335和1支K2360树脂锚固剂锚固；护表采用φ6.5mm钢筋焊接网，网孔规格100×100mm，联网间距不大于150mm。锚索为φ21.8mm×6500mm钢绞线，间排距1200×1600mm，使用1支CK2360和2支K2360锚固剂锚固，呈“3-3-3”布局，预紧力200KN。

帮部锚杆为φ20mm×2200mm全螺纹钢锚杆，使用CK2360和K2360锚固剂各1支，间排距800mm×800mm，两帮护表均铺设10#金属网和钢筋梯子梁。

二次补强支护，沿空侧锚索采用φ21.8mm×3500mm钢绞线，配合“W”型钢带使用，钢带横向使用，上、下相邻锚索间距1600mm，上部锚索距离顶板1100mm，上、下排锚索间隔1500mm。回采侧锚索采用φ21.8mm×3500mm钢绞线配合“W”型钢带支护，钢带竖直安装在帮部相邻锚杆之间，锚索间排距1500×1600mm。支护断面图见图5。

图5 巷道支护断面图

4.2 矿压观测结果分析

巷道表面位移监测如下：

本次共设置6个测站，测站1位于巷道里程914m处，测站2位于巷道里程922m处，测站3位于巷道里程930m处，测站4位于巷道里程938m处，测站5位于巷道里程946m处，测站6位于巷道里程951.6m处。

靠近工作面约45m范围内巷道两帮变形速度较大，45m以后逐渐稳定在3mm/d以下。整个过程中，小煤柱变形速度一般小于实体煤帮：小煤柱最终变形量为32mm，实体煤帮47mm，两帮79mm，小煤柱变形量占两帮变形量的40%。

巷道内顶板下沉量明其稳定周期较长，滞后工作面80m后顶板下沉量才有明显趋稳，底鼓速度较为不明显。顶板最大下沉速度6mm/d，顶底板移近最大速度8mm/d。

由此分析可以得出：①顶底变形持续周期大于两帮，两帮变形速度明显放缓，顶底板变形速度依然相对较大；②顶板下沉量大于底板变形，顶板下沉量占顶底移近总量的77.8%；③两帮变形以实体煤帮变形为主，小煤柱变形较小，小煤柱帮部占两帮总移近量的40%。

5 结语

大埋深厚煤层小煤柱沿空掘进在石拉乌素煤矿的实践应用期间共计掘进960m，日进尺8～10m，从掘进期间系统矿压观测数据来看巷道整体支护效果较好，同时使得矿井安全生产条件大为改善，设备运行、巷道维护条件改善，使得巷道使用条件持续改善，保证了矿井接续正常，对矿井实现持续稳产、高产、安全生产意义重大。同时为蒙陕矿区大埋深厚煤层留小煤柱沿空掘巷的推广应用起到了有力的示范作用。