大采高工作面小煤柱留设及巷道支护技术研究

侯大海

(陕西延长石油榆林可可盖煤业有限公司， 陕西 榆林市 719000)

0 引言

留设煤柱是我国煤矿中常用的护巷方法，护巷煤柱宽度过大会造成煤炭资源浪费，护巷煤柱过小则不能起到保证巷道稳定的作用。随着煤层厚度的增加，留设煤柱造成的煤炭资源浪费大大增加，但小煤柱留设带来巷道设计、支护以及维修等一系列难题[1-5]。为此，国内外众多学者对于在小煤柱下的巷道支护进行了大量研究。梁华杰等[6]分析了近距离煤层开采巷道布置的合理性，揭示了巷道布置与煤柱宽度耦合关系。赵明洲等[7]针对大厚度薄层复合顶板煤巷剧烈变形问题，提出了“高强联合支护技术”。诸多研究者多基于留设煤柱的稳定性，对区段煤柱留设尺寸的问题进行了详细的研究与探讨，并取得了一定的研究成果，但针对特定条件下，大采高综采工作面区段煤柱合理尺寸的问题却鲜有研究，本文以长平矿大采高综采工作面为研究对象，从区段煤柱的应力分布规律、受力变形过程、护巷方式等多角度展开分析，针对矿井巷道小煤柱留设尺寸以及巷道支护相关问题，通过数值模拟、现场检测等方法进行研究，确定了巷道支护方案。

1 工程背景

长平煤矿位于沁水煤田南部，可采煤层为3#煤层，煤层平均厚度为5.84 m，直接顶为泥岩，平均厚度9.89 m，直接底为砂纸泥岩，平均厚度4.13 m，老底为K6细粒砂岩，平均厚度3.15 m，矿井工作面采用多巷布置，巷间留设煤柱在40 m～60 m的范围内，回采巷道沿煤层底板掘进，4305工作面布置如图1所示。

目前，长平煤矿在生产实践中存在以下问题：

（1）护巷煤柱尺寸留设较大，导致大量煤炭资源不能得到有效回收，造成资源浪费；

（2）围岩稳定性较差，随着工作面的推进，围岩变形破坏严重，巷道顶板及两帮变形量较大，部分区域甚至会出现局部冒落的现象，巷道返修量大，给安全施工带来了严重威胁。

2 煤柱合理尺寸研究

2.1 煤柱应力分布规律

煤层开挖打破了煤岩层初始应力平衡状态，改变了围岩三维应力场分布，造成煤柱上载荷集中[8]，易使煤柱出现“破裂-塑性-弹性”的明显分区，护巷煤柱铅直应力以及弹塑性变形区域的分布情况如图2所示。根据极限平衡理论可以确定护巷煤柱边缘与煤柱支承压力峰值的水平距离x0，其计算公式如式（1）所示。

式中，K为应力集中系数；p1为支架对煤帮的阻力；m为煤层开采厚度；C为煤体的黏聚力；φ为煤体的内摩擦角；f为煤层与顶底板接触面之间的摩擦系数；ξ为三轴应力系数，。

通过对生产数据的分析与整理，可以确定出x0的取值范围在3 m～20 m之间，x0数值的集中范围在5 m～12 m之间，护巷煤柱上应力降低区的变化范围在2 m～7 m之间，受到工作面采高、煤柱宽度以及煤层埋深等诸多因素的影响，煤柱应力集中状态主要呈现出3种形式。

图1 4305工作面布置

图2 护巷煤柱竖向应力以及弹塑性变形区域分布

当护巷煤柱宽度B＞2L（极限平衡宽度）时，煤柱上覆载荷会均匀地分布在煤柱中央，载荷大小为原岩应力γH，在护巷煤柱边缘，煤柱应力出现集中现象，从护巷煤柱边缘至煤柱中央，应力分布区域依次为破坏区、塑性区、弹性区与原岩应力区[9-11]，B＞2L条件下的煤柱坚向应力分布如图3所示。

当护巷煤柱宽度符合2L＞B＞L时，煤柱上覆载荷在中央集中，煤柱中央载荷大于原岩应力γH，在沿煤柱宽度的方向，竖向应力呈马鞍形分布，2L＞B＞L时，煤柱竖向应力与变形区域分布如图4所示。

当护巷煤柱宽度B＜L时，煤柱两侧边缘的支承压力同时向煤柱中央传递，在支承应力的叠加效应下，煤柱中央的载荷迅速增大，载荷远大于原岩应力γH，B＜L条件下的煤柱竖向应力与变形区域分布情况如图5所示。

图3 B＞2L下煤柱竖向应力与变形区域分布

图4 2L＞B＞L下煤柱竖向应力与变形区域分布

图5 B＜L下煤柱竖向应力与变形区域分布

2.2 工作面支承压力分布

工作面护巷煤柱侧向支承压力的分布规律是确定护巷煤柱留设方式以及留设尺寸的重要参照，为确定长平煤矿 4305综采工作面的合理护巷煤柱尺寸，对工作面43051巷、43052巷之间的16#横穿进行了侧向支承压力的现场测试。

选用KSE—Ⅲ型钢弦压力记录仪、采集仪作为观测设备，对长平煤矿 4305综采工作面在回采过程中引起的侧向支承压力进行观测，压力记录仪布置区域如图6所示。

对观测区域的煤柱应力变化数据进行统计及处理，可得到护巷煤柱横向应力的分布规律，如图7所示。

图6 压力记录仪测区布置区域

图7 煤柱横向应力分布规律

通过图6可以看出，煤柱应力的变化情况受工作面采动影响较大，采动影响范围在75 m左右。总的来说，护巷煤柱的应力分布呈马鞍形，煤柱横向应力的最大值位于43051巷道22.6 m处，峰值应力约为18.12 MPa，超前支承压力峰值点距离煤壁约11 m～29.5 m，应力集中系数最大值为1.82。巷道的最大应力值在17.15 MPa左右，位于巷帮内12 m处。根据煤柱支承压力分布情况，确定护巷煤柱尺寸范围在5.5 m～7 m。

3 巷道支护设计

3.1 巷道参数设计

长平煤矿 4305工作面采用多巷布置，巷间留设煤柱在40 m～60 m范围内，大宽度的煤柱造成浪费严重，同时巷道支护困难，返修率高，合理确定小煤柱留设尺寸，优化该条件下的巷道支护技术是高效安全生产的重要举措。

根据分析计算结果，确定在 43053巷、43052巷之间留设尺寸为6 m的护巷煤柱，将43052巷作为留巷巷道，巷道两帮、顶板的支护形式与参数设计分别如图8、图9所示。

图8 两帮支护形式（单位：mm）

图9 顶板支护形式（单位：mm）

3.2 现场实验监测

对巷道顶底板的移进量进行监测，拟在 43052巷布置3个测区进行巷道顶底板移近量的测量，编号分别记为43052-1测区、43052-2测区、43052-3测区，各测区巷道顶底板移近量监测结果如图10所示。

图10 巷道顶底板移近量

监测结果表明，在工作面未受采动影响前，矿井巷道顶底板的变形量基本小于10 mm，在工作面采动过程中，巷道顶底板的最大位移量为450 mm。其中，巷道顶底板最大变形位移出现在43052-2测区的1号测线上（距离切眼80 m的范围），其他各测区的顶底板移近量均小于250 mm。巷道围岩稳定性得到了有效控制。

4 结论

（1）护巷煤柱的合理留设宽度受开采高度以及煤层埋深的影响。随着宽度的减小，煤柱上的应力分布曲线形状变化从双驼峰形到马鞍形再到单峰形。实测采动影响范围在75 m左右，总的来说，护巷煤柱的应力分布呈马鞍形，超前支承压力峰值点距离煤壁约11 m～29.5 m，应力集中系数最大值为1.82。

（2）通过理论分析和工程类比研究，证明在4305综采工作面留设6.0 m护巷煤柱是可行的。监测结果表明，在工作面未受采动影响前，矿井巷道顶底板的变形量基本小于10 mm，在工作面采动过程中，巷道顶底板的最大位移量为450 mm。巷道围岩稳定性得到了有效控制。