孤島工作面保護煤柱寬度確定及合理性分析

陳意飛

（陽煤集團，山西 陽泉 045008）

煤礦地質條件、工作面銜接、采動影響規律等因素產生了采區最后開采的一個工作面，通常稱之為“孤島”工作面[1]。孤島工作面受采動影響范圍大，靠采空區一側的煤體在其上覆巖層壓力的作用下，礦壓顯現劇烈，煤體破碎嚴重，不穩定因素較多，巷道支護困難[2]。煤柱的主要作用是保護巖層內部巷道的穩定性和地表上方建筑物受回采擾動影響不至破壞，因此煤柱寬度直接影響巷道支護方案設計、巷道支護量、維護成本、圍巖穩定性以及資源開采率等。為了盡可能提高煤炭采出率，同時保證回采過程的安全，特別是確保巷道周圍巖層的穩定性，避免開采過程中巷道變形量大以至影響到工作面生產過程的繼續，保護煤柱寬度的合理確定是兼顧巷道安全與資源回收率的重要保障和先決條件[3-4]。

國內一些煤礦通常做法是依據多年經驗來確定保護煤柱寬度，為了不影響礦井的生產，他們往往采用留設偏大煤柱尺寸的做法，這種不科學的做法不僅浪費了大量的煤炭資源，同時也給現場遺留誘發安全事故的因素[5]。近年來國內外學者對保護煤柱的確定做了大量的研究和探討，根據理論和現場實際相結合，提出了解決該問題的兩種力學模型，即“窄煤柱”力學模型和“寬煤柱”力學模型。兩種力學模型均有各自特點，“窄煤柱”力學模型中進風巷和回風巷位于支撐壓力峰值附近，兩幫礦壓顯現明顯，巷道變形量較大，支護相對困難；“寬煤柱”力學模型兩巷在回采期間支撐壓力較小，巷道較為穩定，與“窄煤柱”力學模型相比，“寬煤柱”力學模型資源采出率低。由于開采條件、現場施工、煤層厚度、埋深等條件的限制，寬煤柱護巷目前在我國煤礦的應用實踐較少，煤柱寬度的確定一般需要借鑒國內的經驗[6]。

本文以“窄煤柱”力學模型為理論基礎，著重探討孤島工作面合理煤柱寬度的確定，以及其合理性分析。引入修正系數概念，將理論和現場經驗結合起來；工程中的應用，對現場巷道頂板下沉量、底鼓量、上下幫移近量已經回采過程圍巖移動速度等參數進行了實測，分析了保護煤柱寬度留設的合理性，為類似條件的工作面提供了合理煤柱留設的實踐參考。

1 煤柱寬度留設依據

煤層開挖過程中，保護煤柱受其上覆巖層移動過程中的載荷作用大致分為煤巷采中載荷施壓階段和回采過程中支撐壓力階段。采中載荷與回采過程中最大支撐壓力兩者之和構成了煤柱承壓載荷。采中載荷施壓階段主要施力物體為煤柱上覆巖層，巷道開挖過程中，周圍巖體重力施加到保護煤柱煤體上產生一載荷，該載荷對煤柱的影響范圍可達60～150 m。煤柱上覆巖層將重力施加到煤柱煤體上，煤體自然會給巖層一反作用力即支撐壓力。支撐壓力的分布特點主要為：近煤柱壁面區域達到最大值，靠近煤體中心則變小。支撐壓力分布規律，見圖1。

大量的研究和現場實測證明：煤柱承壓載荷中，回采過程中產生的載荷遠大于巷道掘進時上覆巖層施加到煤柱上的載荷。因此，支撐壓力對保護煤柱寬度留設起到關鍵作用，留設的煤柱寬度要保證煤柱強度大于煤柱的承壓載荷。

圖1 煤柱支撐壓力分布規律圖

2 煤柱寬度設計

煤柱設計時，主要考慮巷道寬度、巷道最大垂深、煤層厚度、煤的抗壓強度等，理論數值計算如下公式：

式中：S為保護煤柱寬度，m；H為巷道最大垂深，m；M為煤層厚度，m；f為普氏系數為煤的單軸抗壓強度，MPa；α為巷道寬度，m。

以上公式計算的數值偏小，若按照此數值設計保護煤柱的寬度時，支護成本較大，經過大量的現場實測和比較，引入修正系數優化設計參數，修正后的煤柱寬度Sx計算公式：

式中：Sx為修正后的保護煤柱寬度，m；K為修正系數。

3 工程實例

某礦208工作面為二采區孤島工作面，四鄰情況：北側為采區皮帶巷，西面是206工作面（已采空），東面是210采空區，南面三采區304工作面（以采空）；208工作面開采山西組中下部3號煤層，煤層賦存穩定、平均厚為6.4 m，含兩層夾矸，其結構為6.4 m=1.8（1.0）1.6（0.2）1.8，容重為 1.4 t/m3；煤層節理發育，埋藏深度距地面330 m，煤巖類型以半亮型貧瘦煤為主，實驗室條件下煤層單軸抗壓強度19.1 MPa。順槽支護形式為錨聯網支護，運輸順槽長度860 m，巷道寬度4.2 m，巷道高度3.2 m，巷道平均坡度8°。

煤層單軸抗壓強度為19.1 MPa，巷道垂高330 m，煤層厚度6.4 m，巷道寬度4.2 m，根據式（1）計算的保護煤柱寬度S為17.7。

查修正系數可知：埋深330 m、普氏系數f為1.31～1.4時的修正系數為1.09～1.13，代入修正公式（2）得到的煤柱寬度Sx為19.3～20 m。以此為依據，保護煤柱設計寬度為20 m。

4 煤柱寬度合理性分析

為了全面掌握208“孤島”工作面礦壓顯現規律和圍巖控制的效果，確定保護煤柱留設的合理性，在皮帶順槽分別距工作面30 m、50 m、80 m、120 m和150 m的位置布置了監測站，監測數據包括：頂底板移近量、底鼓量、兩幫移近量（上幫移近量、下幫移近量）、頂板下沉量等，觀測結果，如表1所示。

表1 監測數據統計表

5 結論

1)“孤島”工作面回采期間礦壓顯現明顯，巷道變形量大，支護困難，因此合理留設保護煤柱寬度，不僅可以減小巷道維修工作量和維護成本，而且也能提高煤炭采出率。

2)公式（1）計算的煤柱寬度偏小，大量的工程實踐經驗得到的修正參數，對煤柱理論值加以修正，得到的數據更加合理有效。

3)208工作面保護煤柱寬度理論計算值為17.7 m，修正后為20 m。

4)20 m的保護煤柱對208工作面礦壓顯現的控制數據主要有：頂板移近量累計574 mm，平均移動速度18.65 mm/d；底鼓量累計183 mm，平均移動速度7.2 mm/d；兩幫移近量累計421 mm，平均移動速度13.4 mm/d；頂板下沉量累計448 mm，平均移動速度14.3 mm/d。所有監測指標正常，因此20 m的保護煤柱對208工作面是合理的。

[1]劉長友,劉奎,郭永峰.超長“孤島”綜放面大煤柱護巷的數值模擬[J].中國礦業大學學報,2006,35(4):473-477.

[2]柏建彪,張金亮,王龍芳.孤島綜放面巷道支護機制和技術研究[J].礦山壓力與頂板管理,2002(4):5-7.

[3]華心祝,劉淑,劉增輝.孤島工作面沿空掘巷礦壓特征研究及工程應用[J].巖石力學與工程學報,2011,30(8):1646-1651.

[4]陳炎光,陸士良.中國煤礦巷道圍巖控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,1994.

[5]談生榮,熊和平,鄒云豐.保護煤柱計算方法的探討[J].江西煤炭科技,2007(2):80-81.

[6]魏峰遠,陳俊杰,鄒友峰.留設保護煤柱尺寸的影響因素及變化規律探討[J].中國礦業,2006,15(12):61-63.