同忻矿小煤柱沿空掘巷开采实践探讨

刘宝舜 王亚军

（同煤国电同忻煤矿有限公司，山西大同037000）

0 引言

目前，同煤集团千万吨级矿井均是主采太原组3-5#煤层，其煤层厚度0 m～35.31 m，平均13.67 m，工作面赋存条件较简单。由于煤层厚度大，顶底板坚硬，矿压显现较严重，长期以来综放工作面布置时，相邻工作面之间的煤柱均在30 m～40 m。在开采过程中，常出现临空巷顶板下沉、两帮移近量大、底鼓、超前支护压弯压断等现象，造成安全出口不畅通，给安全生产带来极大隐患。近期，同煤集团开始推广小煤柱沿空掘巷技术，巷道维护状况及投入有了根本改观。本文以同煤集团同忻矿为例，简要说明实施小煤柱沿空掘巷后在巷道维护及经济效益等方面取得的主要成效。

1 工程概况

同忻矿3-5#煤层厚度在15 m左右，煤层倾角3°左右，岩石柱状图见图1，采用放顶煤一次采全高开采。

图1 综放工作面柱状

1.1 沿空掘巷理论分析

沿空掘巷技术现在已经基本成熟[1-6]，已有大量的学者进行了相应的研究工作，但像同忻矿赋存的平均厚度在15 m 左右的综放工作面应用至今比较少见。在一般情况下，当工作面开采完毕顶板稳定后，一侧采空煤柱（体）的弹塑性变形区及铅直应力的分布如图2所示，随着与采空区边缘之间距离x的增大，按负指数曲线关系衰减。在高应力作用下，从煤体（煤柱）边缘到深部，都会出现塑性区（靠采空区侧应力低于原岩应力的部分称为破裂区）、弹性区及原岩应力区。煤柱（体）的承载能力，随着远离煤体（煤柱）边缘而明显增长。在距煤体（煤柱）边缘一定宽度内，存在着煤柱（体）的承载能力与支承压力处于极限平衡状态，运用岩体的极限平衡理论，塑性区的宽度，即支承压力峰值与煤柱边缘之间的距离x0为：

图2 煤柱（体）的弹塑性变形区及铅直应力分布

在同忻矿生产实际中，x0的变化范围为3 m～20 m，一般为5 m～12 m。应力降低区宽度的变化范围为2 m～7 m，一般为3 m～5 m。因此使用窄煤柱进行沿空掘巷，此时临空顺槽较宽煤柱而言，压力比宽煤柱小。

2 大小煤柱掘进期间的临空巷矿压比较

2.1 大煤柱在掘进期间临空巷的矿压显现

同忻矿二盘区8203 工作面回采期间，开始掘进8202 工作面的两顺槽，临空巷是5202 巷，5202 巷掘进未与8203工作面回采交汇前没有压力，交汇时为了防止压力显现，在5202 巷支设了两排木带帽点柱，共支设120 根。交汇后临空压力显现明显，5202 巷中多处底鼓，影响行车和皮带运输，为此进行了多次小范围处理底鼓措施。8202 工作面形成后，待采期间，临空压力对5202 运料巷的影响巨大，造成几乎整条巷道底鼓、顶板下沉量大、大量锚索和锚杆断裂，具体现场示意图如图3所示。

图3 大煤柱掘进待采期间强矿压显现

由此在开采掘进期间造成巨大经济损失，具体数据为：5202 运料巷底鼓严重，其中：600 m～760 m 底鼓30 cm；780 m～1 840 m 底鼓50 cm；1 900 m～2 300 m 底鼓70 cm。重新维修时打底的费用总计167.75 万元。锚索断裂320根，补打锚索费用为25.6万元；锚杆断裂1 500根，补打锚杆费用22.5万元；合计215.85万元。

2.2 小煤柱在掘进期间临空巷的矿压显现

同忻矿8102工作面相邻的8101工作面和8103工作面分别在2010年和2011年开采完毕。8102工作面两顺槽在2018年9月份开始掘进，到2019年7月份圈出工作面，结果显示矿压对临空巷道的压力很小。在掘进期间，无论从施工人员实践反映或顶板离层仪的显示中，以及技术人员的观测中，均没有矿压加大或矿压显现相对于大煤柱减小。小煤柱掘进待采期间的矿压显现如图4所示，小煤柱掘巷经济效益显著。

图4 小煤柱掘进待采期间的矿压显现

3 不同煤柱设置对综放工作面开采的影响

大煤柱8309 综放工作面从切眼至1 485 m 段，临空巷未进入8307采空区影响段，临空巷的支护方式采用门式支架进行支护，巷道变形基本没有。当8309工作面进入采空区影响段124 m 时，临空巷压力显现明显，尾巷门式支架出现弯曲变形，支护方式变为两排木垛+单体支柱的支护方式，同时巷道变形仍然严重，临空顺槽从采位2 180 m～2 300 m 范围内的单体柱被打倒、打断、打变形的共计121根。现场示意见图5。

图5 木垛+单体补强支护后出现的强矿压

8305小煤柱工作面切眼就在8307采空区内，自开采尾巷就采用单体和木垛进行支护，当时巷道变形不严重，不影响巷道的通风和行人，未出现尾闭口合住和影响通风的情况。具体现场巷道变形及支护见图6。

图6 小煤柱开采临空巷的变形情况

8309 工作面38 m 煤柱临空顺槽和8305 工作面6 m 小煤柱临空顺槽在回采期间，巷道顶底板移近量和巷道两帮的移近量，具体如图7、图8所示。

图7 宽煤柱和窄煤柱巷道顶底板变形量统计

图8 宽煤柱和窄煤柱巷道两帮变形量统计

通过顶底板移近量和两帮移近量的变化曲线图，可以明显看出，采用6 m 小煤柱护巷和使用38 m 煤柱护巷，小煤柱对减少顶底板变形和两帮变形有很大的优势，对工作面安全高效开采起到了关键作用。

4 煤炭资源损失分析

若按工作面间隔38 m煤柱留设，3-5#层煤可布置工作面共50个，8#层60个。经过对每一个工作面可采出煤量的计算，3-5#层大约可采出煤量43 445万t，8#层大约可采出煤量8 108 万t，共计大约可采出煤量51 553万t。实行小煤柱后，按照工作面间煤柱间隔6 m，3-5#层可布置工作面共58个，8#层65个。经过对每一个工作面可采出煤量的计算，3-5#层大约可采出煤量47 768 万t。8#层可采出煤量9 800 万t，共计大约可采出煤量57 568万t，实行小煤柱开采比大煤柱开采能多采出6 015万t。按照同忻矿现有的洗出比0.665 3，精煤价钱500元/t，可多出的经济效益为200.089亿元。

5 结论

通过以上分析，可看出留设小煤柱沿空掘巷在缓解顶板压力方面存在的显著优势，经济效益明显，可得到以下结论：

（1）采用小煤柱沿空掘巷技术，在掘进临空巷时的矿压显现强度明显降低，相应的巷道维护费用大量减少，经济效益凸显。工作面开采时的顶板压力也明显减弱，减少了安全隐患。

（2）同忻矿井田工作面均采用小煤柱开采后，煤炭损失降低，矿井服务年限提高，可多创造经济效益200.089亿元，矿井服务年限增加4年。

（3）但小煤柱沿空掘巷时，要考虑邻近工作面的开采后的稳定时间，相隔时间越长，效果越明显，在进行矿井衔接时要加以考虑，否则可能带来更大的安全隐患。