沿空掘巷窄煤柱留设宽度工程设计与实践

刘会战，李 想，张 宁

（山东鲁能菏泽煤电公司 郭屯煤矿，山东 郓城274700）

1 工程概况

1.1 工作面位置

1303 工作面轨道顺槽位于－808m轨道石门南侧，地面标高＋43.1m～＋45.1m，巷道标高－796m～－868.8 m，东部为1301工作面（正在回采），西部为1303工作面（1303工作面切眼及胶带顺槽掘进结束），南部为实体煤层，1303工作面采掘工程布置见图1。

1.2 煤层赋存特征及顶底板情况

1303 工作面内3煤厚1.80～3.00m，平均2.8m；受向斜构造影响，煤层倾角变化较大，倾角3°～15°，平均8°。3煤为黑色，玻璃光泽，主要为亮煤，次为暗煤、半亮型煤，内生裂隙发育，含少量黄铁矿晶粒，阶梯状断口。该区域煤层赋存较为稳定，结构简单，在掘进范围内煤层平均厚度约2.80m。根据1301工作面和1303胶带顺槽巷道实际揭露情况，预计局部地段煤层含夹矸。

图1 1303工作面采掘工程平面

2 沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定

2.1 沿空掘巷窄煤柱变形破坏规律

根据郭屯煤矿1303工作面的现场地质条件及开采技术条件，在沿空掘巷窄煤柱宽度的模拟研究过程中，分别选取3m、4m、4.5m、5m、7m和9m六种模拟方案；并对各方案中窄煤柱破坏情况以及沿空掘巷的围岩变形破坏特征两个方面的实施效果进行分析，从而确定合理窄煤柱宽度。

通过对不同窄煤柱宽度条件下的巷道进行模拟开挖研究，对比分析开挖引起的煤柱破坏规律差异（见图2）。

图2 不同宽度的窄煤柱位移矢量

从图2可以看出：

（1）煤柱破碎程度从上往下逐渐降低，沿煤柱中心往两侧，煤柱的破坏及位移逐渐增大；且窄煤柱、直接顶和老顶都有沿一斜面向采空区滑落的趋势。

（2）窄煤柱的变形呈不对称分布，分别向上区段采空区和沿空巷道方向变形移动，且靠近沿空掘巷一侧变形比较明显。

（3）窄煤柱在上覆载荷的作用下，在垂直方向上呈不同程度的压缩破坏，从下往上煤柱破坏程度越来越大。

（4）与下部相比，煤柱上部垂直位移和水平位移都比较大，表现为沿某个滑移面向采空区滑落的趋势，随着煤柱宽度的减小，这种规律愈加明显；且在煤柱的同一位置，水平位移要大于垂直位移。

（5）随着窄煤柱宽度的变化，水平位移和垂直位移也呈现不同程度的变化：整体而言，煤柱宽度越大，煤柱中心完整区域就越大；当煤柱宽度较小时，整个窄煤柱沿一斜面向上区段采空区滑落，破坏严重。

在不同煤柱宽度条件下，1303工作面沿空巷道掘进期间的顶板下沉、底板鼓起、实体煤帮以及窄煤柱帮的变形量见图3，各方案的位移汇总见表1。

图3 掘巷期间沿空掘巷围岩变形情况

由图3和表1可知：

（1）当窄煤柱宽度不同时，沿空掘巷窄煤柱帮的移近量均大于顶板下沉量、底鼓量和实体煤帮移近量。

（2）当窄煤柱为4.5m时，顶板下沉量、窄煤柱帮移近量和实体煤帮移近量均存在拐点，且随着煤柱宽度的增加顶板下沉量和煤柱帮移近量均保持一定斜率增加。

（3）底鼓量较小，平均30mm，窄煤柱帮移近量最大，这就要求对窄煤柱帮进行加强支护，防止变形过大，避免片帮的危险。

（4）当窄煤柱宽度为4.5m时，沿空掘巷整体围岩变形相对较小。

3 工程实践分析

沿空掘巷的窄煤柱宽度设计和现场施工条件紧密关联，合理的窄煤柱宽度的确定应考虑现场施工的一些基本要求：煤柱的宽度至少应大于支护锚杆的长度，结合现场使用的2.2m长锚杆，再留有一定的富裕系数，故要求窄煤柱的宽度应不小于3m。锚杆安设的可操作性，在留设窄煤柱条件下，锚杆支护施工中经常会出现锚杆钻孔塌孔现象，致使锚杆的安装无法正常进行，故在实践中都应当予以考虑。

4 窄煤柱合理宽度的最终确定

由以上分析可见，1303工作面轨道顺槽采用锚杆支护时，窄煤柱合理宽度的确定应充分考虑以下3个问题：

1）对沿空掘巷的窄煤柱来说，靠1301工作面采空区侧煤体中存在一定范围的破碎区，安设锚杆时，其留设的煤柱宽度最好应能使锚杆位于采空侧所形成的破碎区之外的实体煤中，以保证锚杆支护具备可靠的锚固能力。

2）沿空掘巷的窄煤柱尺寸决定了巷道与上区段工作面回采空间的距离，从而决定了巷道受侧向支承压力的影响程度；同时，窄煤柱的尺寸也将直接关系到窄煤柱自身的承载能力。

3）窄煤柱的宽度应能保证锚杆支护在操作上的可行性。

通过上面的分析可以得出这样的结论：在窄煤柱条件下，沿空掘巷在巷道施工期间，只是引起巷道围岩小结构的应力重新分布，而没有引起围岩大结构的强烈运动，所以掘巷期间围岩的变形量不是很大，但巷道在工作面回采带来的超前压力影响时，围岩大结构将会产生很大程度的破坏，巷道上方基本顶产生断裂回转，引起巷道围岩的强烈变形，在此情况下，合理的窄煤柱宽度与巷道的稳定性有很大的关系。

综合分析得出：1303工作面轨道顺槽窄煤柱宽度在4～4.5m之间是合适的，该结论可作为1303工作面轨道顺槽窄煤柱宽度设计的依据。

5 工程实践效果

现场实践证明，1303轨道顺槽在工作面回采超前压力影响下，顶板下沉量控制在200mm，底鼓量控制在120 mm，实体煤帮移近量控制在300mm，窄煤柱帮移近量控制在500mm，巷道满足回采期间安全生产要求，达到了预期设计要求。本次窄煤柱留设宽度实践的成功对郭屯煤矿后期沿空掘巷起到很强的指导和借鉴作用。

〔1〕侯朝炯，李学华.综放沿空掘巷围岩大小结构的稳定性原理〔J〕.煤炭学报，2001，（1）.

〔2〕徐永圻.采矿学〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，2003.

〔3〕柏建彪.沿空掘巷围岩控制〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，2006.

〔4〕钱鸣高，石平五.岩石压力与岩层控制〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，2003.