摘要：小煤柱开采技术能够有效降低区段煤柱留设宽度，提高采区资源回收率，在一定程度上延长矿井服务年限，逐渐成为山西地区许多濒临资源枯竭矿井首选推广技术。文章以晋能控股集团长治公司福达、微子镇、石窟等7座煤矿为研究背景，通过分析采矿地质条件，结合理论分析结果，得出各煤矿区段煤柱优化方案，并针对各矿不同条件，因地制宜的开展小煤柱巷道切顶卸压工艺参数研究工作，最后基于小煤柱巷道围岩稳定性观测分析结论，各煤矿采用小煤柱护巷技术均达到了预期效果，煤柱宽度得到有效降低，取得了较为显著的成果和经济社会效益，为该技术的大范围推广积累了宝贵经验。

　　关键词：资源回收率；小煤柱护巷；切顶卸压；巷道稳定性

　　0引言

　　小煤柱开采技术是一种较为先进的煤炭开采方法，通过减小煤柱尺寸，优化开采布局，从而提高资源回收率，降低巷道应力水平。近年来，随着煤炭工业的快速发展，小煤柱巷道支护技术、煤柱覆岩结构稳定性研究、煤柱合理留设尺寸等方面取得了丰硕的研究成果，为小煤柱开采技术的应用和推广奠定了理论和实践基础。常规留小煤柱护巷是将巷道布置在采空区边缘应力降低区内或巷道开挖后使煤柱处于应力降低区，小煤柱宽度一般在3~10 m左右，由于小煤柱已全部进入塑性破裂状态，承载能力低，支护难度大。现场留小煤柱护巷一般是在上区段工作面回采完毕，采空区顶板垮落稳定一段时间后，再进行留小煤柱沿空掘巷，以避开上区段工作面采动影响，巷道易于维护，实践表明即使在该条件下留小煤柱护巷也不得不进行多次维护。特别是近年来随着矿井开采强度的提高，采掘接替关系普遍紧张，经常出现迎采动工作面掘巷，即下一区段巷道在上区段工作面回采结束之前布置。该类巷道受上区段工作面采动影响必然导致巷道围岩巷道变形更为剧烈，维护更为困难，从而限制了留小煤柱沿空掘巷在我国更广泛地推广应用。小煤柱巷道围岩稳定性控制的基本途径是降低巷道围岩应力和选取合理的支护方式。目前小煤柱护巷主要通过后者的强力支护技术来控制围岩的大变形，并结合切顶卸压技术，切断小煤柱侧向顶板应力传递路径，降低小煤柱巷道围岩应力水平，从而降低煤柱载荷，提高巷道围岩稳定性，为实现留设小煤柱护巷创造条件。

　　山西晋南地区的煤炭资源储量丰富，但经过多年的开采，许多矿井的煤炭资源已经接近枯竭。这导致许多矿井生产能力下降，煤炭产量减少，对当地经济发展产生负面影响。同时，浅部资源的逐年减少，使得矿井开采深度逐步增大，许多矿井开采深度达600 m以上，随之而来的是强矿压问题，巷道变形量增大、工作面矿压显现强烈，给矿井安全生产带来严重隐患。为了改变这一局面，晋能控股长治公司从2021年开始，尝试引进和推广小煤柱开采技术，小煤柱开采技术具有采煤工艺灵活多变、巷道布置简单实用、初期投资少、安全生产条件较好、巷道维护量较小等优点。由于其适应性强，对地质条件要求较低，应用较为广泛。在晋能控股长治公司福达、微子镇、石窟、吉祥、荆宝、三元、新村、中能等多座煤矿成功应用，将原有区段煤柱宽度12~25 m缩减至5~8 m，极大的提高了采区及矿井资源回收率，并在一定程度上缓解了矿井采掘接续紧张问题，为煤炭企业带来了可观的经济社会效益。

　　1采矿地质条件分析

　　山西晋南长治地区广泛赋存3#、15#煤层，煤层地质条件相对简单。各煤矿开采条件，如表1所示。由统计结果可知，各煤矿主采3#、15#煤层，平均煤厚在2.7~7.2 m，其中，吉祥煤矿煤层最薄，为2.7 m；三元煤矿煤厚达7.2 m；煤层倾角普遍低于8°,属近水平煤层，福达、中能煤矿煤层埋深较大，平均埋深超过400m，荆宝、新村煤层埋深最浅，一般在150 m以内。微子镇、吉祥、三元、荆宝煤矿煤层硬度较高，普氏系数在1.5以上，福达、石窟、新村、中能煤矿煤层硬度较低，普氏系数小于1。直接顶以泥岩、砂质泥岩为主，基本顶主要为细粒砂岩、石灰岩，底板以泥岩为主，地质构造简单。从地质条件可以看出，各矿煤层赋存条件较好，煤厚适中，煤层倾角较小，埋深较浅，顶底板条件较好，有利于小煤柱技术的实施。原有区段煤柱宽度在12~25 m，平均17.5 m，具有较大的优化空间。

　　2小煤柱优化方案

　　小煤柱技术能否成功应用取决于侧向采空区形成时间、顶板结构及稳定时间、煤体强度及完整性等因素。理论而言，采空区形成时间越长、顶板无厚硬岩层且垮冒及时、煤体强度大完整性强，小煤柱应用效果越好，但如果留设宽度不合理，未避开应力峰值区，也可能导致煤柱失稳或巷道大变形。因此，采用理论分析及数值模拟方法，通过分析各矿小煤柱稳定性，进而确定合理的留设宽度。

　　区段小煤柱留设的基本思想是将巷道布置在采空区边缘低应力区内，但考虑到回采巷道支护问题，煤柱的尺寸不能太小，在回采过程中煤柱塑性区比例不断增大加速了煤柱的破坏，不利用锚杆的锚固效果，无法形成承载结构。在此，采用弹性力学理论计算各煤矿煤柱极限平衡区的宽度，结合各煤矿支护参数及煤柱稳定性实测结论，确定各矿煤柱安全系数，得出小煤柱合理宽度留设区间，结果如表2所示。

　　由计算结果可知，各矿小煤柱合理留设宽度普遍在5~8 m之间，为了更加精确的划定小煤柱宽度，采用数值模拟方法对各矿不同宽度小煤柱稳定性进行分析，分别模拟煤柱宽度4、5、6、7、8 m五种条件下煤柱及巷道围岩塑性区变化及应力环境，得出应力卸荷区范围及不同宽度煤柱稳定性结论，最终确定各矿小煤柱合理宽度，如表3所示。

　　3切顶卸压技术应用

　　3.1目标层位确定

　　为了保证小煤柱稳定性，减小侧向应力及回采扰动对小煤柱巷道围岩稳定性的影响，采用切顶卸压技术对巷道顶板进行卸荷处理，通过对各矿地质资料进行分析，并结合现场实测结论，分析小煤柱巷道应力水平升高的主要影响层位，进而确定切顶目标层位，如表4所示。

　　由统计结果可知，福达、微子镇、吉祥、新村煤矿回采15#煤层，主要影响层位均为K2石灰岩层位，该层岩石厚度一般在5~6 m左右，致密坚硬，工作面回采后容易在煤柱侧向形成较大范围悬顶，导致煤柱及巷道应力水平升高，不利于小煤柱及巷道围岩的维护。三元、荆宝、中能煤矿回采3#煤层，主要影响层位以中-细粒砂岩、粉砂岩为主，厚层状分布，是小煤柱卸荷治理的主要层位。由于石窟煤矿3#煤顶板以泥岩、砂质泥岩为主，不存在厚硬岩层，新村煤矿老空区对顶板完整性影响较大，且不具备钻孔施工卸压条件，因此，石窟、新村两矿无需对顶板进行切顶卸压。

　　3.2切顶卸压工艺参数确定

　　根据各煤矿顶板条件及现场施工条件，选择合理的卸压手段及工艺参数，切顶卸压技术主要包括：深孔爆破、定向水力压裂两种具体工艺，卸压参数如表5所示。

　　4小煤柱护巷效果分析

　　4.1小煤柱巷道围岩稳定性分析

　　通过对各矿小煤柱巷道围岩应力应变数据进行采集分析，得出各矿应用效果，汇总结构如表6所示，小煤柱巷道应力应变曲线，如图1所示。巷道矿压监测结论如下：

　　1）从锚杆应力来看，福达、微子镇、三元、中能四个煤矿的锚杆应力峰值较高，均超过100 kN，其中三元煤矿巷道顶锚杆应力峰值达到最高170 kN，新村煤矿锚杆应力峰值最低，仅63 kN；

　　2）从顶板下沉量来看，三元4306工作面回风巷顶板最大下沉量达760 mm，其次为石窟煤矿30202回风巷的430 mm，微子镇煤矿15103回风巷顶板下沉量最小，仅为130 mm；

　　3）从两帮移近量来看，吉祥、三元煤矿小煤柱巷道两帮移近量较大，均超过800 mm，石窟30202回风巷两帮移近量超过500mm，达547 mm，新村15302回风巷两帮移近量最小，仅210 mm。分析矿压监测结论可知，三元煤矿由于煤层厚度达到7.2 m，小煤柱巷道断面大导致其锚杆受力和变形量最大，现场采用注浆加固、补打锚索等措施，巷道围岩变形得到有效控制。微子镇、新村煤矿埋深浅、煤厚薄，整体矿压显现不明显，因此小煤柱巷道更易维护，巷道变形量较小。

　　4.2煤柱优化效果统计

　　综上可以看出，各煤矿采用小煤柱护巷技术均达到了预期效果，煤柱宽度得到有效降低，如表7所示，相比于常规煤柱宽度，煤柱宽度降低7~17 m，优化比率58.3%~75%，煤柱宽度平均优化11.06 m，根据各矿每年采掘接续情况，各矿工作面年进尺约4 600 m，可节约煤炭资源30万t/a，同时延长矿井服务年限，为企业创造可观的经济社会效益。

　　5结论

　　1）采用理论分析，结合晋能控股长治公司各煤矿支护参数及煤柱稳定性实测结论，明确各矿煤柱安全系数，采用数值模拟方法分析应力卸荷区范围及不同宽度煤柱稳定性结论，最终确定各矿小煤柱合理宽度为5~8 m。

　　2）为了保证小煤柱巷道围岩稳定性，对各煤矿导致小煤柱巷道应力升高的主要层位进行了分析，福达、微子镇、吉祥、新村煤矿回采15#煤层，主要影响层位均为K2石灰岩层位；三元、荆宝、中能煤矿回采3#煤层，主要影响层位以中-细粒砂岩、粉砂岩为主，厚层状分布，是小煤柱卸荷治理的主要层位。而后分别采用定向水力压裂、深孔爆破等切顶卸压技术，对目标层位顶板进行预裂。

　　3）对各煤矿小煤柱应用情况进行了分析，结合小煤柱巷道矿压数据可知，巷道变形量较小，应力水平较低，均在可控范围内。相比于常规煤柱宽度，各矿区段煤柱宽度降低7~17 m，优化比率58.3%~75%，根据各矿工作面进尺情况，年节约煤炭资源30万t，经济社会效益显著。

　   参考文献：

　　[1]高全武.深部小煤柱沿空布置工作面高强度开采下的防冲管控[J].陕西煤炭，2023，42（6）：125-130.

　　[2]武东亮.小煤柱开采煤柱宽度确定及支护设计[J].机械管理开发,2023，38（9）：245-246.

　　[3]霍丙杰，孟繁禄，李天航，等.多层坚硬顶板特厚煤层综放面小煤柱护巷技术研究[J].煤炭科学技术，2024，52（3）：13-23.