一、成果背景
留小煤柱的目的是将巷道与采空区隔离，防止采空区的水与有害气体串入巷道，危及安全生产，合理的小煤柱尺寸不仅对提高煤炭采出率具有重要意义，而且关系到采区巷道能否稳定这一重要问题。大量的实践证明，合理的小煤柱尺寸在很大程度上决定着该类巷道的稳定性。如何根据巷道围岩的具体条件，合理确定沿空巷道煤柱的尺寸，对于巷道安全和工作面正常生产具有重要意义。
红岭煤矿在总结1500工作面和1503工作面采用留小煤柱沿空掘巷的经验上，通过对其掘进期间顶底板变化分析，确定更合理的煤柱，在1505下巷进行沿空掘巷的研究与应用，取得了很好的效果，十分值得推广使用。
二、成果内容
（一）工作面概况
1505工作面上部FB57断层保护煤柱，下部为1507工作面采空区，南部为14采区采空区，北部连接15采区轨道二平巷、15采区胶带下山（二平巷）、15采区专用回风下山。煤层平均厚度7.0m，煤层倾角平均18°，1505下巷沿煤层底板掘进，采用型号为EBZ-160型悬臂式掘进机掘进。坚持“一掘一支”和“多工序平行作业”的正规循环作业方式，一次成巷，不留尾工，采用“三八”制作业方式。
（二）煤层顶底板情况
煤层在工作面直接顶为砂质泥岩，平均厚度4.16m；基本顶为中-细粒砂岩，平均厚度15.07m，直接底为细粒砂岩，平均厚度1.58m；基本底为细粒砂岩，平均厚度4.8m，硅质胶结，较坚硬，难垮落。
（三）地质构造
该工作面二1煤层结构简单，煤层倾角14～22°，平均18°，煤层厚度6.8～7.1m，平均7.0m。煤种为贫煤，呈黑、灰黑色，玻璃～强玻璃光泽，条痕为黑褐色，阶梯状，参差状断口，以碎块状为主，局部为层状及条带状结构，内生裂隙发育。存在一层厚度0.03～0.1m的泥岩夹矸，属稳定厚煤层。
1505工作面下巷：掘进后期将揭露F401断层，该断层走向189°，倾向99°，倾角84°，落差0～2.5m，对工作面下巷掘进有一定影响。
根据1507上巷掘进期间实际揭露情况，1505下巷中段为一小型背斜，对巷道掘进基本无影响。
（四）沿空掘巷方案的确定
煤层开采过程破坏了原岩应力场的平衡状态，引起应力重新分布，沿工作面倾斜和仰斜方向形成固定支撑压力，按应力变化情况可将煤体分为3个区域，即应力降低区、应力增高区和原岩应力区。因此，可能掘巷的位置有4种，即无煤柱完全沿空掘巷、应力降低区留小煤柱掘巷、应力增高区留大煤柱掘巷、原岩应力区留大煤柱护巷。根据以往掘进工作面经验，及理论上分析可以确定，留设小煤柱沿空掘巷是最佳方案，考虑经济效益，选择留设煤柱的宽度是5m，现场工程实践中再适当调整。
（五）工程实践
1、参照工程为1507上、下巷，采用36U矿用钢+金属背板+金属网支护，U型钢棚距为700mm和800mm，该巷道采用此支护掘进期间无明显变形（断层附近局部变形），且能够满足通风、行人、运输的需要。
2、支护方式选择
借鉴1507上、下巷的支护参数，鉴于1505下巷为沿空掘进巷道，采用36U矿用钢+半圆木背板+金属网支护，棚距为700mm，以加强巷道支护强度，采用打设锚索梁方式加强支护，后期根据掘进后巷道支护变化情况，确定是否调整支护参数，若需调整时必须编制专项安全技术措施或重新编制作业规程。
3、支护设计
巷道断面为半圆拱型断面，采用36U矿用钢+金属网+木背板进行支护，巷道拱基线处净宽5400mm，掘进宽度5700mm，净高3400mm，掘进高度3750mm，棚距为700mm；支架柱腿下扎角80°，基础深度200mm，巷道净断面积18.8m2，掘进断面积为20.5m2。金属网搭接不小于100mm，并每隔200mm用双股14#铁丝连接牢固。
1505下巷工程量1030.0m，巷道施工10个月，两帮移近量平均为200mm，最大为400mm，巷道顶板有一定下沉量，但仍保持完整、稳定、支护状态好，，满足回采要求。
（六）支护工艺
1.临时支护形式：采用LZUQ连锁式前探梁。使用为支架顶部三道，布置位置均为巷道中线偏左或右帮200mm处一道，中线两边700～1100mm处各一道。临时支护最大控顶距为棚距加300mm。临时支护长度为迎头向后不小于3.0m。
U型钢支护前探梁使用为支架顶部三道，布置位置均为巷道中线偏左或右帮200mm处一道，中线两边700～1100mm处各一道。临时支护最大控顶距为棚距加300mm。临时支护长度为迎头向后不小于3.0m。
2.施工工序：交接班→检修、延长输送机、运料→刷出顶梁道→架设临时支护、架设顶梁→割煤、出煤→挖柱窝→栽柱腿、背帮→质量验收→下一循环。
（1）交接班：包括班前安全确认，施工工器具对照、上一班未处理完毕的问题及支护情况检查。
（2）检修、延长输送机、运料：机电工对巷道内设备进行检修，发现问题及时处理，部分人员同时延长输送机及运料平行作业。
3.锚索施工工艺及要求
（1）为确保巷道支护强度，采取在巷道内打设锚索梁进行加强支护，锚索选用长度为8m，直径为18.9mm的钢绞线，锚索梁采用旧U型钢加工而成，要求锚索梁搭接使用；锚索梁打设位置为巷道中线两侧1000-1500mm范围各一趟。
（2）锚索计算
①顶锚索长度计算：
L=L1+L2+L3+L4
式中：L—锚索长度。
L1—锚索进入稳定岩层内的深度，取2.0m。
L2—锚索安装位置顶部煤层厚度，最厚处7.1m，巷高3.4m，取3.7m。
L3—锚索外露长度，根据要求取0.2m。
L4—锚索锁具长度及托盘厚度，根据实际取0.1m。
经计算得锚索长度L=2.0+3.7+0.2+0.1=6m＜8m，因此选择长度为8m的锚索符合要求。
②锚索间距计算
按普氏冒落拱高度计算
式中：
a为锚索间排距，m；
P为锚索抗拔力，取钢绞线破断力的90%，采用φ18.9mm钢绞线时为360kN；
P0为锚索预紧力，取80～120kN，此处取120kN。
是冒落拱内的岩体容重，取25kN/m3；
是安全系数，取2；
h=B/2f=5.7/（2×5）=0.57
式中：B—打设锚索巷道开掘宽度，取最大值5.7m；
f—岩石坚固性系数，取5。
代入公式可得：a=3.0m
经上述计算及验算得出结论：加强支护锚索，满足支护要求。
三、项目创新点
1.支护效果显著，巷道加架影响期间，长期维护期间，强烈采动影响期间，巷道变形均得到了有效控制，很好满足了回采要求。
2.取得了良好的技术经济效益。按照缩减15m煤柱计算，原煤900元/吨，可回收煤炭15万吨，创造经济效益近150万元。
3.通过对巷道围岩进行监测分析，围岩变形得到有效控制，支护效果良好。
4.沿空掘巷合理的小煤柱宽度不但能保证巷道围岩的稳定性，而且在现有的支护条件下，围岩的变形量能满足生产过程中对断面的使用要求。
四、效果评价
对红岭矿1505下巷实现留小煤柱沿空掘巷的可行性进行了分析;通过理论计算和工程类比等方法，确定了合理护巷窄煤柱宽度为5m;结合沿空巷道围岩条件，设计了适合该矿沿空掘巷的支护方式，并进行了小煤柱沿空掘巷的实际应用。结果表明，研究确定的窄煤柱宽度和支护方式合理，技术和经济效益显著。
论文作者:吴翔
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/2/13
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