大采高工作面區段合理煤柱寬度研究

張海榮 索永錄

（1.榆林職業技術學院礦業工程系，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054）

針對大采高綜采面，區段煤柱的合理留設是確保其安全、高效回采和最大限度回收煤炭資源的重要問題[1-3]。陜西北部侏羅紀煤田榆神礦區金雞灘煤礦2-2上煤101工作面為大采高綜采面，區段煤柱尺寸參照相鄰礦井留設，煤柱寬度較大。為了提高煤炭采出率，對綜采工作面煤柱進行了優化設計。

1 工作面開采技術條件

101大采高綜采面布置在侏羅紀延安組2-2上煤層中，設計采高5.5m，工作面長度300m，推進長度4372m。工作面皮帶巷與輔運巷間留設35m寬煤柱。工作面四周均為實煤區。接續面為102工作面。工作面巷道布置見圖1所示。

2-2上煤厚度變化小，結構簡單，埋深平均為136m。煤層直接頂主要為粉砂巖和細砂巖，均厚1.77m，局部大于6.0m。偽頂分布于井田南部，面積2km2左右。基本頂為巨厚砂巖體厚度在5～25m之間，屬Ⅱ～Ⅲ級。煤層底板主要由粉砂巖和泥巖組成，屬Ⅲ類較軟底板。回采巷道均采用錨網索支護。

圖1 工作面巷道布置圖

2 煤柱側向支承壓力實測

2.1 實測方案

采用煤柱鉆孔液壓枕實測方法，在接續面推進一定距離時，距切眼煤壁180m左右，在首采面皮帶巷與接續面回風巷之間利用已有聯巷設站。在聯巷內，距離底板1.5m高度沿煤柱寬度方向上打鉆安裝液壓枕。鉆孔直徑Ф45mm，孔深5.5m。在煤柱寬度方向上，煤柱兩側按1m的間距各布置液壓枕10個，在煤柱中間區域按1.5m的間距布置液壓枕9個。工作面推過測站100m時觀測結束。每兩天采集一次數據。觀測共安設近30套設備，由回采側到采空側方向依序編號。

2.2 實測結果分析

根據方案對煤柱寬度方向上的支承壓力進行觀測。在接續面正常推進前提下，共采集了21次數據。分別對測站距切眼煤壁4.8m、19.2m、1.3m、0m及-9.6m時所采集的數據進行整理，形成煤柱側向支承壓力分布圖，如圖2所示。

圖2 測站至工作面不同距離時煤柱支承壓力分布圖

由圖2知，當測站處于超前支承壓力影響范圍外時（40.8m），煤柱兩側支承壓力隨工作面的推進在升高，中部壓力值在下降，總體上呈現“雙駝峰狀”應力分布狀態。當測站處于超前支承壓力影響范圍內時（19.2m、10.3m），煤柱兩側應力呈不對稱分布，回采側高、非采側低，且回采側應力值上升明顯。當工作面過觀測站并逐漸遠離觀測站時（0m、-9.6m），回采側煤柱應力集中程度趨低，支承壓力逐漸向非采側轉移，應力呈不對稱分布。

根據采集的數據來看，回采側應力峰值為9.37MPa，非采側的為8.76MPa，塑性區范圍分別為0～7m和0～6m，工作面初始應力為3.4MPa，由此算得煤柱兩側支承壓力集中系數分別為2.6和2.4，距工作面較遠一側應力集中程度較高。

由圖2中4號測點可以看出，當測站距工作面切眼煤壁19.2m時，應力呈增加趨勢，直至測站處于超前支承壓力影響范圍內時，出現應力峰值，之后呈降低趨勢。中部測點12～16之間煤柱支承壓力基本無明顯變化，應力值保持在3.6～4.3MPa之間，接近初始應力值。從整個分布狀態來看，煤柱寬度方向上應力呈現“雙駝峰狀”分布狀態，沒有出現應力疊加現象。該礦2-2上煤單軸抗壓強度為24.5MPa，該數據遠大于實測煤柱支承壓力峰值。由此可知，所留設35m煤柱符合穩定性煤柱特點，呈超穩定狀態，留設寬度偏大。為了提高資源采出率，需重新計算留設煤柱寬度。

3 煤柱留設寬度理論計算分析

運用載荷估算法和塑性理論計算法，并結合現場實測數據，分別計算2--2上煤工作面區段煤柱留設寬度。煤巖體物理力學參數見表1。

表1 煤巖體物理力學參數

3.1 載荷估算法

一般認為煤柱所受載荷P是由兩部分組成的，分別是開鑿巷道形成的載荷P1和兩側回采引起的載荷P2[4]。開鑿巷道形成的載荷依據輔助面積理論計算。認為煤柱均勻地支撐著其上覆巖層的重量，同時也支撐著其兩側護巷寬度一半范圍內巖石的重量。回采引起的載荷主要與采動應力集中系數有關，采動應力集中系數與煤柱載荷呈正比關系。

式中：

B1、B2-煤柱兩側巷道寬度，m；

B-煤柱寬度，mm；

H-巷道埋深，mm；

γ-上覆巖層平均容重，kN/m3；

k-采動應力集中系數。

上式累加知：

由此可得煤柱上的平均應力為：

一般情況下，煤柱強度與煤試樣的抗壓強度成正比，且隨煤柱寬高比的增大而增大。用以下公式表示：

式中：

RC-煤的單軸抗壓強度，MPa；

M-煤柱的高度，m。

研究表明，當煤柱上的平均應力小于等于煤柱的強度時，煤柱就可以保持穩定。據此，將針對該礦的相關參數代入得：當B≥12.3m時，可保證煤柱穩定。

3.2 塑性理論計算法

塑性理論認為：煤柱兩側產生塑性變形后，在煤柱中部存在彈性核區，當彈性核的寬度大于等于煤柱高度的2倍時，煤柱可保持穩定[5]。即保證煤柱穩定的計算公式可如下表示：

式中：

x0-煤柱靠近工作面一側形成的塑性區寬度，m；

x1-煤柱遠離工作面一側形成的塑性區寬度，m。根據現場實測分析知，煤柱側向支承壓力峰值距離巷幫最遠為6m，表明靠近工作面側形成的塑性區寬度x0=6m。彈性核寬度為工作面巷道高度的2倍，計算得10.4m。

根據極限平衡理論，遠離工作面側形成的塑性區寬度x1為：

式中：

h-巷道高度，m；

μ-泊松比；

φ-煤體內摩擦角，°；

C0-煤體的內聚力，MPa；

P0-巷幫支護強度，MPa。

將實測數據和表1中部分參數代入（7）式得x1=7.5m。

由此可得：

B≥x0+2M+x1=6+10.4+7.5=23.9m，即區段煤柱寬度應不小于23.9m。

4 工程應用

根據以上研究結果，將在金雞灘礦103工作面回采時留設25m寬區段煤柱，在保持原有工作面巷道支護方式和參數不變的條件下進行工程試驗。距切眼煤壁80m處，采用十字布點法分別對103工作面皮帶巷和回風巷側向表面位移進行觀測并統計位移量。發覺煤柱側向表面沒有明顯的變形情況，頂板也未發生明顯的下沉破壞現象。103工作面回風巷幫和皮帶巷幫移近量和移近速度變化曲線如圖3、圖4所示。

圖3 回風巷幫移近量和移近速度變化曲線圖

圖4 皮帶巷幫移近量和移近速度變化曲線圖

由圖3可看出，當工作面煤壁距測站不在超前支護范圍時，巷幫移近量緩慢上升，移近速度在20mm/d范圍內；當工作面推進距測站接近超前支護范圍時，巷幫移近速度和移近量顯著增大，日變形量達62mm/d；當“兩面”距離在10m以內時，移近量加速上升，最終巷道移近量處于350mm范圍內，是由于此時煤體處于塑性狀態。分析表明，該巷道在受采動影響后，其變形量在工程允許范圍之內。留設煤柱寬度可滿足安全生產的要求。現場在采集回風巷測站數據的同時也對皮帶巷巷幫移近數據進行收集。圖4表明，皮帶巷變形情況基本與回風巷一致，最終變形量也在工程允許范圍內。由此可知，現場試驗所留煤柱是可以滿足正常生產需要的。

5 結語

（1）實測煤柱側向支承壓力，可知巷道受兩次采動影響后原來留設的煤柱呈超穩定狀態，煤柱尺寸偏大。

（2）采用載荷估算和塑性理論計算法計算煤柱留設寬度，得出合理煤柱尺寸宜不小于23.9m。

（3）按25m留設煤柱進行工程試驗，在工作面兩巷內設站實測巷道移近變形情況，分析表明所留設煤柱可滿足安全生產需要，節約了資源，提高了回采率，實現了良好的經濟效益，具有推廣價值。