小煤柱工作面安全开采与围岩控制技术

董 建

（大同煤矿集团铁峰煤业有限公司，山西 朔州037000）

综放工作面布置过程中，为了确保采区内各准备巷道围岩稳定，需要在工作面与临近采空区间留置支承煤柱，该类支承煤柱在回采结束可进行部分回收。这类小煤柱工作面通常处于两已采工作面的采空区中间，已采工作面回采会造成采区上覆岩层围岩结构的破坏并改变矿压显现规律，为了确保残留煤柱能够顺利回收，需要确定留置煤柱尺寸，顶板及配套巷道支护方案，以及其他主动围岩控制技术的方案。本文根据现场生产经验，通过数值模拟方法，对此技术进行了研究。

1 工作面概况

大同煤矿集团某矿小煤柱工作面，属石炭系3号煤层，所属煤层地质赋存条件良好，煤层厚度可达4.4～7.4 m，平均厚度能够达到5.8 m，煤层走向平缓，煤层倾角仅为1°～3°，煤层存在1～4层以泥岩为主的夹矸层，该工作面走向长度能够达到2 110 m，主采煤种为半暗型气煤，预计可回收存量达到342万t。工作面所处的3号煤层瓦斯相对相对涌出量0.57 m3/t、绝对涌出量3.42 m3/min，掘进面瓦斯相对涌出量2.00 m3/t、最大绝对涌出量0.44 m3/min，预计工作面开采过程中无瓦斯涌出危险。8113工作面岩层结构中直接顶为厚度在4.91 m的砂泥岩、煤泥岩，老顶为厚度约6.91 m的砾岩、中砂岩。

2 工作面留置煤柱尺寸的确定

2.1 邻近工作面矿压观测

3号煤层中8113工作面临近8111综放工作面一侧，附近8101工作面、8103工作面已完成回采工作。8101工作面顶板初次来压步距25～30 m，正常回采的周期来压步距25 m（见图1）。8103工作面顶板初次来压步距为20～25 m，而正常推进时周期来压步距为20 m，局部伴随有来压现象显现。

5103巷为8103工作面与8101采空区间的临空巷道，受上覆岩层压力与8101采空区悬梁残余应力影响，造成巷道严重变形，部分断面高度不足1.5 m，5103临空巷以单体支柱配合密集木垛的方式进行围岩控制，前期采用“三梁三柱”的布置方式，后期改为“五梁五柱”，其排距900 m，柱间距800 mm，木垛间距为6 m。

5103巷采用十字监测法布置巷道表面位移监测站，依照十字监测法测点的设置原则，测点应沿巷道中心位置的垂直与水平方向设置，各测点超前50 m布置，范围内设置10个观测断层，采样周期1 d/次。

2.2 FLAC2D数值模拟

以8113预采煤柱工作面的5113临空巷构建FLAC2D数值模拟模型，其垂直应力随8111工作面采空区间距离变化规律见下页图2所示。5113巷随距离8111工作面采空区的间距，其垂直应力随距采空区距离增加而不断增加，到距离约20 m处时达到峰值38.6 MPa，再随距离增加而开始下降，最终不断趋近原岩应力值，而当距8111工作面距离0～9 m时，所需要的支承应力会小于原岩应力，同时结合实际情况，最终选取5113临空巷留设煤柱尺寸为8 m。

图2 5113巷侧固定支撑压力分布图

3 临空巷围岩控制方案

3.1 巷道顶板管理

5113临空巷顶板管理参照邻近8103工作面对5103临空巷处理经验的基础，除选择单体支柱与密集木垛支护，对巷道顶板和两帮采用“锚杆+锚索+钢带+钢梁+金属网+喷浆”的联合支护方式。密集大范围超前支护的布置方式与5103巷采用同样的“五梁五柱”的布置方式，但密集支护的超前管理范围由5103巷的50 m调整为300 m（详细布置图见图3）。

图3 5113巷超前支护断面图（mm）

“锚杆+锚索+钢带+钢梁+金属网+喷浆”的联合支护方案的具体参数为：顶锚杆均选用Φ22 mm×3 000 mm的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间距800 mm、排距1 800 mm；锚索选Φ21.8 mm×8 000 mm的钢绞线，间距1 100 mm、排距1 800 mm。喷浆厚度为100 mm，混凝土标号为C20。工作面侧锚杆均选用Φ20 mm×2 000 mm的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间距900 mm、排距900 mm；煤柱侧锚杆均选用Φ22 mm×3 000 mm的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间距900 mm、排距900 mm，具体支护形式见图4。

图4 5113巷断面图及顶板支护俯视图

3.2 水压致裂弱化围岩

3号层中8111工作面对顶板采用水压致裂技术对顶板围岩进行超前弱化处理，起到良好的应力消除效果，极大的改善了工作面内的临空巷受上覆岩层与邻近采空区残余应力影响所造成的巷道断面变形状况。如果需要对8113工作面顶板进行水压致裂弱化围岩，需要使钻孔分别穿过4.91 m厚煤层，和厚度6.91 m作为关键层的含砾粗砂岩层，结合该岩层性质在5113巷煤柱帮侧设置水压致裂钻孔，孔深15 m，每排孔间距15 m。

图5 5113巷致裂关键层示意图（mm）

3.3 其他围岩控制措施

1）小煤柱工作面开采过程中需要布置和开凿调向硐室，为了确保5113临空巷顶板稳定性，应保证调向硐室的开凿不会留设煤柱的支护强度，应将调向硐室设置在工作面煤壁侧。

2）由于小煤柱工作面仍采用一次采全高处置采空区，借鉴类似的开采经验，回采过程需要采用大阻力支架，液压支架工作阻力应大于13 000 kN，其中位于工作面尾部约20～25 m的顶板应力峰值区域应采用25个15 000 kN支架。

4 安全开采措施

8113工作面回采过程除顶板冲击地压和矿压显现等地质问题外，还存在工作面水害、有毒有害气体、矿井火灾等隐患。8113工作面相对邻近8111工作面走向较低，且留置煤柱宽度8 m，由地质构造及裂隙发育会建立的水流流动通道，即8111工作面采空区一旦积水有很大可能会向8113工作面渗透。8113工作面回采过程自身会有瓦斯、CO等有害气体析出，并且8113工作面局部采用负压通风，8111临近采空区内积聚的瓦斯、CO由于漏风通过留设煤柱渗透进入8113工作面。3号煤层中煤炭存在自燃倾向，8111工作面和8113工作面采空区都会由于采空区的漏风而发生遗煤自燃。

1）水患治理措施。工作面水害治理一方面在于减少积水，新工作面回采前提前在小煤柱内打孔放8111采空区积水。另一方面完成积水排放后，及时通过马丽散等高分子材料对钻孔和煤柱裂隙进行封堵，钻孔封堵长度应确保＞5 m以上。

2）瓦斯治理措施。瓦斯治理在于一方面减少临近采空区内有害气体进入8113工作面内，一方面通过马丽散对裂隙进行封堵，并对5113巷表面进行喷浆加固。另一方面加强8113工作面内局部通风管理，对易出现瓦斯、CO等有害气体超限以及低氧问题的上隅角进行必要的导风、增加工作面供风量和均压通风措施。

3）防灭火措施。8113工作面与8111工作面回采过程及时进行注氮防灭火措施，做到随采随注，使采空区深部氧含量下降到防火惰化指标以下，并确保800 m3/h以上的注氮量。当8111工作面停采撤架后及时对采空区和巷道进行密闭，需进行大量的泥浆灌注，并对密闭内设置温度和氧浓度监控。一旦工作面和采空区到达自然发火期之前或有火灾预兆，及时进行注氮和注浆措施进行火灾防治。

5 结论

1）通过对8113工作面地质及赋存条件和已采工作面矿压显现规律的研究，结合生产实践经验，利用FLAC2D分析模型，确定了合理的留设煤柱尺寸。选用密集支柱配合“锚杆+锚索+钢带+钢梁+金属网+喷浆”联合支护的方式对5113临空巷进行顶板围岩控制，并超前进行水压致裂对工作面高应力区围岩进行弱化处理，同时现场回采过程选取大工作阻力液压支架确保生产安全平稳进行。

2）在布置8113等小煤柱工作面，预计可有效回收3号、5号、8号等各主采煤层边角和残留煤柱的原煤2495万t。具有较好的经济效益，也为类似工作面提供参考。