麻家梁煤矿特厚煤层回采巷道小煤柱护巷技术研究

王凯

（晋能控股煤业公司浙能麻家梁煤业有限公司，山西 朔州 036000）

1 概 况

在我国山西、内蒙、新疆等主要产煤区域，煤层赋存厚度大，开采过程中矿压显现强烈，为保护相邻工作面回采巷道，需留设一定尺寸的区段保护煤柱。有的矿区为保证安全生产，留设20～30 m宽度的区段保护煤柱，虽然保障了现场的安全生产，但是浪费了大量的煤炭资源。如能采取一定的技术措施缩小区段煤柱尺寸，则可有效提高煤炭资源回收率。本文以麻家梁煤矿为工程背景，对小煤柱护巷技术进行分析。

麻家梁煤矿是隶属于晋能控股煤业集团的大型煤矿，位于山西省朔州市朔南矿区南部。目前主采煤层为4 号煤层，平均厚度8.42 m，平均倾角3°，伪顶为平均厚度0.35 m 的泥岩，直接顶为平均厚度33.3 m 的粉、细砂岩及中粒砂岩互层，老顶为平均厚度14.9 m 的泥岩及砂质泥岩互层，直接底为平均厚度1.5 m 的砂质泥岩，老底为平均厚度为5.5 m 的细粒砂岩，详见表1。

表1 4 号煤层顶底板岩性Table 1 No.4 coal seam roof and floor lithology

原设计中4 号煤层回采工作面间留设25 m 的区段保护煤柱，以工作面走向长度1 000 m 计算，因留设区段保护煤柱损失的煤炭量可达29.5 万t，如采取一定的技术措施，缩小区段保护煤柱的尺寸，可有效提高煤炭资源回收率。

2 特厚煤层回采巷道小煤柱护巷技术

针对麻家梁煤矿4 号特厚煤层顶煤厚度大，垮落时引起强烈扰动，而且在工作面回采过程中矿压显现强烈的问题，提出采用分层支护技术对顶板进行支护，并采用卸压技术缓解矿压对巷道围岩的影响。

2.1 巷道顶板长短锚索分层支护方案

由于特厚煤层开采高度大，回采后形成巨大的采空区，顶板岩层垮落高度大，扰动强烈，导致巷道围岩易失稳破坏，因此提出采用长短锚索分级支护的方式，对巷道顶板进行支护。如图1 所示，由于特厚煤层顶煤厚度较大，因此将顶煤划分为2 个区域进行支护。首先利用锚杆将浅部顶煤锚固作为第一层支护，称为高预紧力承载层；然后利用短锚索将顶煤锚固成为一个整体作为第二层支护，在整个支护体系中起到一定的缓冲作用，称为缓冲结构层；最后采用长锚索将顶煤锚固在上覆稳定岩层中，将顶煤与上覆稳定岩层锚固形成整体结构，保证巷道围岩的稳定性。

图1 特厚煤层小煤柱分级支护原理Fig.1 Principle of small coal pillar grading support in extra thick coal seam

麻家梁煤矿14502 轨道巷为矩形巷道，断面尺寸为宽×高为5 200 mm×3 500 mm，按照前述分析，综合麻家梁煤矿以往的现场支护经验，顶板锚杆选用φ22 mm×2 500 mm 的左旋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm；短锚索选用φ21.8 mm×5 000 mm 的锚索，间排距为1 800 mm×1 000 mm；长锚索选用φ21.8 mm×8 500 mm 的锚索，间排距为1 800×2 000 mm。

2.2 巷帮卸压支护方案

巷帮同样采用锚杆(索)联合支护，锚杆选用φ22 mm×2 500 mm 的左旋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm；巷帮布置两根φ21.8 mm×4 000 mm 的锚索，间排距为900 mm×1 000 mm。为缓解工作面回采过程中强矿压对巷道围岩的扰动影响，在实体煤侧布置卸压孔，如图2 所示。在巷帮实体煤侧布置2 排卸压孔，2 排卸压孔之间距离为900 mm，每排卸压孔的孔间距为500 mm，卸压孔垂直巷帮布置，深度为20 m，封泥长度为2 m。

图2 卸压孔布置Fig.2 Pressure relief hole arrangement

2.3 小煤柱宽度设计

上区段工作面回采时，区段煤柱塑性区域发育宽度可由下式计算。

式中：m 为上区段平巷高度，3.5 m；A 为侧压系数，0.33；φ 为煤层内摩擦角，30°；C0为煤层粘聚力，2 MPa；Cc为顶板岩层粘聚力，6.8 MPa；k为应力集中系数，2.5；H 为煤层埋深，460 m；γ为顶板岩层平均重度，250 kN/m3。代入计算可得区段煤柱塑性区域宽度为4.5 m。

根据极限平衡理论，合理的煤柱宽度可由下式计算：

式中：B 为合理的煤柱宽度，m；X2为锚杆在煤柱内的长度，2.4 m；X3为一定的安全余量，取1.1 m。代入计算可得合理的煤柱宽度为8.0 m。

2.4 数值模拟

借助FLAC3D 数值模拟软件，对上述支护方案及煤柱宽度的合理性进行分析。麻家梁煤矿4 号煤层及其顶底板岩层物理力学参数见表2。

以麻家梁煤矿14502 轨道巷为工程背景构建数值模型，模型尺寸为长×宽×高为300 m×300 m×100 m，模型上表面施加11.27 MPa 的竖向荷载，模型前、后、左、右及下表面均施加约束。临近工作面14501 工作面回采过程中，14502 轨道巷巷道围岩应力分布及塑性区范围如图3 所示。

图3 巷道围岩应力分布及塑性区范围Fig.3 Stress distribution and plastic zone range of roadway surrounding rock

由图3 可以看出，在设计的支护方案条件下，当区段煤柱宽度为8 m 时，在14501 工作面回采过程中，区段煤柱垂直应力及水平应力均呈现梯形的分布特点，说明区段保护煤柱具有良好的承载能力。区段保护煤垂直应力最大值为18.49 MPa，水平应力最大值为20.18 MPa，通过分析区段保护煤柱塑性区范围，可知区段煤柱中心超过50%的区域仍处于弹性变形状态，具备良好的承载能力，基本可以维持稳定。

3 现场试验

按照设计方案，14502 轨道巷支护及卸压方案如图4 所示。

图4 巷道支护及卸压方案Fig.4 Roadway support and pressure relief scheme

14502 轨道巷与14501 工作面间留设的区段保护煤柱宽度为8 m，为了解设计方案是否合理，在14502 轨道巷布置巷道围岩变形监测点对巷道顶底板移近量、两帮移近量及顶板离层量进行实时监测，监测结果如图5 所示。

图5 现场监测曲线Fig.5 Field monitoring curve

由图5 可知，工作面回采期间，巷道顶底板移近量及两帮移近量变化趋势基本相似，当测点距离工作面较远时，巷道围岩无明显变形；当测点距离工作面在100 mm 范围内时，巷道围岩变形量开始增大，说明工作面超前支承压力影响范围约100 m；在测点距离工作面40 m 范围内时，巷道围岩变形量急剧增大，说明超前工作面40 m 范围为超前支承压力影响距离区。现场监测数据显示，两帮移近量最大值为1 150 mm，顶底板移近量最大值为730 mm，顶板离层量最大值为25 mm。现场监测发现巷道围岩变形主要是在距离工作面20 m 范围内产生的，整体来看巷道围岩变形量并不大，且顶板岩层无明显离层现象，说明当区段保护煤柱宽度为8 m 时，在设计的支护及卸压方案条件下可以满足现场的安全生产需求。

4 结 论

本文以麻家梁煤矿4 号煤层为工程背景，针对4 号煤层厚度大，需留设20～30 m 区段煤柱浪费大量煤炭资源的问题，采用理论分析、数值模拟及现场监测等方法确定小煤柱护巷技术。

（1）巷道顶板采用分层支护的方法进行支护，其中顶锚杆规格为φ22 mm×2 500 mm，间排距为900 mm×1 000 mm，短锚索规格为φ21.8 mm×5 000 mm，间排距为1 800 mm×1 000 mm，长锚索规格为φ21.8 mm×8 500 mm，间排距为1 800 mm×2 000 mm。

（2）巷帮采用卸压支护的方法进行支护，其中帮锚杆规格为φ22 mm×2 500 mm，间排距为900 mm×1 000 mm，帮锚索规格为φ21.8 mm×4 000 mm，间排距为900 mm×1 000 mm，在实体煤侧巷帮布置卸压孔，卸压孔直径为150 mm，长度为20 m，间排距为900 mm×500 mm。

（3）合理的区段煤柱宽度为8 m。

（4）在14502 轨道巷进行现场试验，巷道围岩变形量及顶板离层量监测数据显示，巷道围岩整体变形量不大，且巷道变形主要发生在距离工作面40 m 范围内，巷道顶板并无明显离层现象，说明设计的方案是合理可行的。