纳林河二号矿31104-1工作面沿空掘巷小煤柱尺寸选择与应用陈喜

纳林河二号矿 31104-1 工作面沿空掘巷小煤柱尺寸选择与应用陈喜
发布时间：2021-08-02T05:03:11.303Z 来源：《新型城镇化》2021年8期作者：陈喜
[导读] 陕蒙地区冲击地压主要发生在工作面回采期间，受综采工作面二次回采影响顺槽伴有两帮破碎、底鼓、顶板离层等现象，严重者毁坏巷道原有护表构件等。

中煤西北能源有限公司技术管理部内蒙古鄂尔多斯 017200
摘要：陕蒙地区冲击地压主要发生在工作面回采期间，受综采工作面二次回采影响顺槽伴有两帮破碎、底鼓、顶板离层等现象，严重者毁坏巷道原有护表构件等。

由于陕蒙地区工作面以前没有发生过较明显的冲击，随着开展规模的扩大和开采深度的增加，综采工作面在回采过程中，顺槽变形量增加，甚至出现了冲击地压现象。

之前，该地区大部分煤矿没有充分考虑煤柱尺寸对二次动压巷道冲击现象的影响，煤柱尺寸一般为20m-40m 范围内。

为了解决鄂尔多斯地区深部矿井二次动压对巷道的冲击风险，陕蒙地区深部矿井开始探索并尝试现场应用小煤柱沿空掘巷技术，解决矿井巷道变形和冲击地压灾害。

关键词：埋藏深；小煤柱；沿空掘巷
引言
纳林河二号矿埋深将近 600 米，走向长约 4 ～ 18 公里，倾斜宽
约 13 ～ 17 公里，井田面积 176 平方公里，资源储量 1156.54Mt，服务年限 64 年。

原有工作面煤柱留设宽度为 25m，在回采过程中回风顺槽矿压显现明显呈伴有两帮破碎、底鼓、顶板离层等现象发生，存在冲击危险。

采取综合机械化开采，采空区上覆顶板以自然垮落法进行处理。

3-1 煤厚约 5.6m，含多层夹矸，具有冲击倾向性、强扰动、复合型厚煤层等特征。

通过对矿井采煤间煤柱尺寸优化，提高了掘进和回采期间安全系数，为矿井安全、高效生产提供保障。

31104-1 工作面位于 31 盘区，东邻 31103 工作面采空区，西邻未开采实体煤，该面切眼长度 300m、可采走向长度约 1800m。

煤层直接顶岩性属粉砂岩，厚度为 2m ～ 5.7m，基本顶岩性属细粒砂岩，石英为主，长石次之，厚 7.7 ～ 19m。

巷道动压诱因
当工作面开采之后，采空区周围煤体受上覆岩层重力影响，所产生的力向下作用在支撑煤体上，在综采工作面回采过程中超前压力不断增加，应力不断升高，尤其在工作面周期性来压期间，造成工作面超前段压力二次叠加，破坏顺槽支护，甚至摧毁巷道。

同时，在工作面倾斜上下方形成侧向支承压力，以及工作面后方形成残余支承压力。

综采工作面持续回采，伴随工作面回采速度、采高、采空区上覆
岩层稳定时间等因素影响，采空区两侧煤柱应力也时时发生变化。

受相邻工作面回采所引发的影响，煤柱和实体煤支撑着上覆岩层传递过来较大的能量，形成高应力集中区域。

由于综采工作面二次回采影响相邻采空区顶板的稳定性，破坏了原有应力平衡，在二次采动影响下最终导致护巷煤柱的屈服和变形，导致相邻正回采的工作面的顺槽出现两帮破碎、底鼓、顶板下沉，严重会出现煤体抛出等现象，严重影响矿井安全生产和作业人员安全。

煤柱尺寸选择
按三角块体结构计算煤柱宽度
沿空掘巷在靠近采空区一侧实体煤内掘进活动，实体煤侧受采空区上覆顶板扰动和自重压力影响，实体煤作为支撑体部分应力相对集中。

当巷道顶板岩层破断形成三角块 B，块 B 与工作面顶部岩体 A、采空区上覆岩体C 形成铰接结构，如图 2a 所示。

向采空区移动，在上区段块体 B 的采动影响下，煤柱受压增加，另一方面在块体 A 的作用下下沉。

基本顶块 A 和 B 的移动，使工作面前方沿空掘巷顶板围岩失稳，受周期性来压和工作面见方影响巷道变形严重，维护困难。

巷道上覆岩层基本顶断裂后所产生的能力传递到支撑煤体内，大体上分为压力降低区域 (S1) 和压力升高区域 (S2)，压力降低区域 (S1)所承受的力由基本顶自重及其运动状况决定，如图 2b 所示。

2b 回采阶段
在巷道压力降低区域 (S1) 内进行掘进，应力集中相对低，片帮、底鼓等相对较少，有利于巷道成型和掘进过程中安全保障，因此需要先确定压力降低区域的范围。

分布在S1 区域中的支承压力F 与工作面初次来压时基本顶的自重相等，即：
由此可得：其中：G0- 煤体刚度，Pa；y0- 煤壁煤体压缩量值，m；γ- 基本
顶平均容重，N/m3；a- 工作面长度，m;M- 基本顶厚度，m;L- 基本顶的来压步距，m。

根据矿井现场条件，确定煤体刚度 G0 取1.2×109Pa；煤体压缩量 y0 取 0.8m；基本顶为中、细、粉砂岩，基本顶厚度取 11m，平均容重 γ 取 25kN/m3；工作面长度取 300m；来压步距取
25m。

由此可得，压力降低区域为 13m。

沿空掘巷位置应处于压力降低区域，则沿空巷道宽度L1 和小煤柱宽度L2 之和应不大于压力降低区 S1 宽度，即 :S1 ≥ L1+L2，沿空巷道宽度L1=5.8m，可得煤柱宽度L2 的最大值为 6.8m。

按围岩平衡理论计算煤柱宽度
根据围岩平衡理论可计算出煤柱最小宽度，如图 2c 所示。

式中 :λ 为侧压系数，取 0.4;m 为煤层采高，取 5.6m;φ0 为煤层内摩擦角，取 30° ;C0 为煤柱与顶底板交界处的黏聚力，取 2MPa;γ1为上覆岩层平均容重，取 25kN/m3；K 为应力值系数，取 1.8;H 为埋深，取 570m;Px 为煤柱采空区一侧的支护阻力，取 0.2MPa。

将参数代入上式得：X1=4.0m，X2=0.6~1.4m。

由此可得，煤柱宽度最小值L2=4.6~5.4m。

由以上两种计算方式可知，31104-1 面回风顺槽采用小煤柱沿空掘巷时，合理煤柱宽度应该在 4.6m ～ 6.8m 之间。

因此，煤柱+ 巷道宽度应小于12.6m。

考虑到巷道掘进期间可能产生的片帮影响，为了保证煤柱整体的稳定性和安全性，小煤柱宽度取 5.6m。

监测情况
巷道围岩观测
在工作面两顺槽每 500 米布设一组围岩观测站，在超前 300 米范围内每 100m 和三岔口以及断面较大处布置测点，提高观测频次，及时掌握巷道变形情况，定期对巷道顶底板及两帮围岩变形情况进行观测统计与分析。

顶板离层
采用顶板离层对顶板岩层锚固范围内岩层变化情况进行监测，安装位置布置在两顺槽三岔口、四岔门处，由专业人员定期观测相关数据与分析总结。

锚杆（索）受力
采用锚杆测力计监测顶板和两帮锚杆受力情况，采用锚索测力计监测顶板和两帮锚索受力情况。

从现场施工效果来看，顶锚索受力能达 200kN 左右，顶锚杆受力达 60-70kN，巷道顶板和两帮变化相对较少，基本没有变化，因此在巷道掘进过程中须加强对锚杆索支护质量的管理。

煤柱监测与验证
工作面回风顺槽小煤柱沿空掘进期间安装应力、微震监测系统，采取钻探验证的方法同时进行。

应力采用 KJ649 在线监测系统，布置方式为 25m 一组，组内均为深、浅孔布置。

微震监测采用 ARIMISM/E监测系统，回风顺槽和胶运顺槽各布置 1 个探头和 1 个拾震器，对工作面形成整体包围式监测。

在工作面回风顺槽掘进迎头及后方 60m 范围内正帮侧进行钻屑检验，以确保掘进安全。

4 总结
1）31104-1 工作面小煤柱巷道在掘进期间总体情况较好，巷道顶板稳定，无明显变化，巷道两帮在掘进过程中有一定量的片帮量，通过提高支护强度和保证支护质量后，巷帮变形明显减少，能够保持稳定状态。

现场窥视效果可以看出顶板完整性较好，基本上不存在较多的裂隙发育，两帮中部煤体在 0-1.5 米范围内相对破碎，裂隙发育较多，因此后期类似条件下巷道掘进过程中应加强对巷道帮部的支护，避免帮部产生较大的变形。

巷道掘进期间锚杆锚索受力变化不大，测站安装后随着掘进头的延伸，锚杆、锚索受力稍有增加，工作面继续推进后，测站位置处锚杆锚索受力基本达到稳定状态，不再有较大的变化，表明采取小煤柱后，巷道受力强度有所减弱，煤柱内应力变化幅度小，有利于保持巷道掘进期间围岩的稳定性。

工作面回采期间，锚杆、索受力变化整体较小，顶板锚索张拉后受力达 200kN 以上，回采期间顶板下沉较小，小煤柱帮部受力变化较小，较相邻面留设 25 米大煤柱回撤过程中压力显现有所降低，处于可控范围内。

参考文献
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2005（16）
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