复采煤层L型工作面末采煤柱留设及加固技术研究

杨文平

（霍州煤电集团河津薛虎沟煤业有限责任公司，山西 河津 043300）

残煤复采较正规煤层开采技术难度大，存在一些不确定因素，如顶板未冒落、存在空洞、内部有积水或其他有毒有害气体等；或是已冒落或局部冒落，但未形成再生顶板；或冒落矸石松散堆积，在复采过程中存在顶板不稳定、压力集中等现象。以上情形均会给工作面末采煤柱留设和巷道维护带来较大不确定性。

霍州煤电薛虎沟煤业2-106工作面为复采煤层L型工作面，分2-106A和2-106B两个工作面。2-106B回采面设计与106A2巷间留设80m保护煤柱。为了尽可能多地回收煤炭资源，提高采区回收率，确保工作面的回采推进速度，对2-106B末采煤柱尺寸留设及巷道围岩加固技术进行了研究，确保在满足矿井安全生产条件下，最大限度地采出煤炭资源。

1 概况

2-106回采工作面设计为“L”型，如图1所示，分2-106A和2-106B联合布置。2-106A沿2#煤层走向布置，走向长度790m，工作面长度200m；2-106B沿2#煤层倾向布置，倾向长度470m，工作面长度230m。2-106A面接替2-106B面回采，2-106B面采用倾向长壁后退式开采，2-106A面采用走向长壁后退式开采。2-106A1巷设计790m，采用29U型钢棚支护，棚距0.8m，巷道断面为三心拱断面。2-106A2巷前560m巷道断面为三心拱断面，采用29U型钢棚支护，棚距0.8m，后部230m巷道断面为梯形，采用12#矿工钢棚支护，棚距0.6m。后部230m巷道揭露小煤窑空巷、采空区5个，影响长度67m。2-106B工作面的整体开采区域主要针对残煤进行二次开采，而且在作业过程中需要尽量减少房柱破坏后所造成的影响。因此需要对煤层的高度进行调整，保证工作面整体的倾斜性，并且还要保证倾斜角度与倾斜导向。工作面地面标高730～870m，底板标高666～684m，工作面埋深60～186m，顶底板岩性如表1所示。

表1 2-106B工作面顶底板情况

图1 2-106工作面布置图

2 106回采工作面矿压规律监测

为了获得2-106B回采工作面超前支承压力影响范围以及顶板应力集中系数，在2-106B回采工作面的前方煤体80m处布置了2个监测断面（2个断面间距20m，每个断面安装3个围岩应力计，孔深分别为5m、10m、15m）。监测结果如图2所示。

由图2可知，2-106B回采工作面超前支承压力影响范围为18.4m，应力峰值点在5.6～7.5m范围内，最大超前应力集中系数为2.61。

3 煤柱尺寸数值模拟计算

（1）建立具体模型

以2-106B工作面工程地质条件建立数值计算模型，模拟研究2-106B工作面推进方向停采煤柱应力和塑性区分布特征。模型尺寸为164.4m×20m×50m。考虑工作面在地层中所处的深度150m，地应力边界条件根据实际测量结果进行施加，垂直应力3MPa。由于此区构造应力影响不明显，水平应力1.11MPa，选用Mohr-Coulomb本构模型。模型除上部边界自由外，其余边界固定。关于煤层走向问题，需要针对煤层工作面的倾斜角度进行勘测，同时还要保证煤柱宽度在合理范围内，尽量保证模型整体的平衡性。因此可以先针对2-106A2巷进行挖掘，在此过程中需要应用棚架、锚索以及单体柱等固体支架。等围岩稳固后再开挖2-106B工作面。分别对不同煤柱宽度下沿工作面推进方向煤柱的垂直应力及塑性区分布情况进行分析。

图2 围岩应力计监测曲线图

（2）垂直应力分布

根据煤柱的垂直分布情况对煤柱自身的稳定性进行分析，并且详细记录动态。当煤柱的留设保护宽度为25m时，不仅煤柱较为稳定，而且工作面周围区域的结构形态也都较为稳定。当煤柱的留设保护宽度为20m时，煤柱自身的垂直应力能够保持不变，但是工作面周围区域的结构形态出现了一定的变化，非对称拱形分布与集中垂直力初步形成，并且逐渐降低采空区周围的稳定性。当煤柱的留设保护宽度为15m时，煤柱自身的垂直应力虽然有少许变化，但是没有产生本质变化，而工作面周围区域开始呈现出较为明显的拱形分布变化，并且采空区与巷道附近的集中力逐渐缩小，最终影响到煤柱的稳定性。最后，当煤柱留设保护宽度为10m时，煤柱内部产生垂直力集中的现象，为5～7MPa之间，应力集中系数为1.6～2.3，整体呈现出非常明显的拱形分布形式，煤柱稳定系数非常低。

（3）煤柱破坏状态分布

根据相关研究能够了解到，当煤柱产生不同程度的塑性破坏时，煤柱自身的宽度变化也会存在差异。当煤柱的留设保护宽度为25m时，煤柱的两侧会形成拉破坏与剪破坏，会对煤柱与周边区域的稳定性造成影响，但是由于大部分未受到破坏，因此整体稳定性还算良好。当煤柱的留设保护宽度为20m时，煤柱所受到的应力会逐渐增大，并且逐渐破坏环境的稳定程度。当煤柱的留设保护宽度为15m时，煤柱承载的拉伸力与剪切力会贯穿整个煤柱，从而对整体结构进行破坏。当煤柱的留设保护宽度为10m时，煤柱整体结构已经被完全破坏，进而已经丧失了稳定性。

综上所述，留设10m保护煤柱时，受工作面采动影响煤柱极易发生失稳，严重威胁矿井安全生产；留设15m保护煤柱时，煤柱稳定性受开采扰动依然较为明显；而留设20m保护煤柱时，煤柱处于稳定临界状态。综合考虑煤柱尺寸对矿井安全生产和经济效益的影响，建议2-106B工作面停采保护煤柱采取加固措施后留设宽度为20m。

4 巷道补强加固技术方案

2-106A2巷道补强支护方式确定采用锚索+单体液压支柱的方式，两根锚索+工字钢梁悬吊5架工字钢梯形棚，同时，在梯形棚两侧各打一根单体液压支柱。2-106A2巷道的超前支护措施是采用在两架梯形棚中间的两帮各补打一个单体支柱，在巷道中间偏右侧补打一个单体支柱。如图3、图4所示。

5 应用情况

2-106回采工作面设计为“L”型，分2-106A和2-106B联合布置。由于受小煤窑开采破坏，2-106A2巷上方多处为冒落矸石松散堆积且未形成再生顶板。为确保2-106A2巷在2-106A工作面回采期间的安全使用，初始设计留有80m保护煤柱。通过以上计算分析确定煤柱留设20m。对应106B工作面的230m巷道在末采前严格按照设计要求补强加固好。在工作面末采期间巷道支护状况良好，只有局部3m范围内靠煤柱侧巷帮向外移动200～300mm，工字钢梯形棚的棚腿变形严重，并与棚梁脱离。利用单体支柱代替棚腿进行二次补强支护，有效地控制了巷道围岩的变形破坏，保证了106B工作面的顺利末采。

2-106A 工作面推进期间，2-106A2巷超前支护采用在两架梯形棚中间补打一梁三柱加强支护，梁采用π型钢梁，单体支柱必须穿鞋，并保证初撑力，漏液或失效单体支柱应及时更换，加强工作面顶板和两帮的管理。受2-106B工作面采动影响的230m巷道除了局部范围出现顶板下沉和底鼓现象，其余范围巷道围岩状态良好，完全能够满足安全回采正常使用需求。

末采煤柱采取加固措施后由初始设计的80m减小到20m，实际多回采60m煤柱，相应回收煤炭6.38万t，多增加经济收入3000多万元，极大地提高了工作面煤炭回采率和经济效益。

图3 2-106A2巷支护施工平面图

图4 2-106A2巷支护施工剖面图

6 结论

（1）工作面矿压规律监测结果表明2-106B回采工作面超前支承压力影响范围为18.4m，应力峰值点在5.6～7.5m范围内，最大超前应力集中系数为2.61。

（2）利用数值模拟对2-106B回采工作面护巷煤柱留设尺寸进行了计算，模拟结果表明，留设20m护巷煤柱时，煤柱处于稳定临界状态。

（3）2-106A2巷道补强采用锚索+单体液压支柱的支护方式，两根锚索+工字钢梁悬吊5架工字钢梯形棚，能够满足安全生产需要。

（4）末采煤柱采取加固措施后由初始设计的80m减小到20m，实际多回采60m煤柱，相应回收煤炭6.38万t，多增加经济收入3000多万元，极大地提高了工作面煤炭回采率和经济效益。