千米深井沿空掘巷區(qū)段煤柱合理寬度的研究

聶鳳祥 劉純文

（新汶礦業(yè)集團公司潘西煤礦，山東 萊蕪 271107）

潘西煤礦6197工作面與6198工作面的合理區(qū)段煤柱寬度設計問題是關系到沖擊地壓、瓦斯異常、底板突水、煤層自燃等災害防治的綜合性課題。6198面埋深大，煤層強度低，單軸抗壓強度僅有2.2MPa，屬極軟煤層?，F有工作面煤柱寬度設計大多采用70m的寬煤柱，浪費了大量的煤炭資源。通過對6198上巷巷道區(qū)段煤柱寬度的研究，提出了合理寬度設計。

1 概況

潘西礦具有采深大、煤層軟、沖擊危險性大，局部瓦斯異常的特點，6198工作面位于-740m水平后六采區(qū)，南部為6197工作面采空區(qū)，工作面平均埋深1002.6m。19煤層平均厚度2.5m，基本頂為中砂巖，厚19m；直接為頂粉砂巖，厚6.5m；直接底為砂質粘土巖，厚3.6m；基本底為細砂巖灰色，厚14m。在這種復雜條件下進行開采，區(qū)段煤柱寬度的設計必須考慮防沖的需要，還需考慮防火、防水、防瓦斯的需要。

2 頂板運動規(guī)律分析

2.1 直接頂巖層的運動規(guī)律

（1）直接頂初次垮落時的厚度

式中：

L-直接頂巖層初次垮落步距，m；

M-直接頂分開運動的巖層厚度，m ；

式中：

MZ-直接頂厚度，m；

H-采高，2.5m；

SA-沉降量，取SA=0.3；

KA-巖層的碎脹系數，取KA=1.35。

6198工作面直接頂垮落厚度為5m。

（2）直接頂垮落步距計算

α-煤層傾角，（°）。

計算得到，初次垮落步距L=16.2m。

初次垮落步距有一個誤差波動范圍。當L＜35m，波動值為±4m。L=（16.2±4）m；平均垮落步距為16.2m。

2.2 基本頂運動規(guī)律預計

（1）基本頂的厚度

基本頂的位置在約6～8倍采高的范圍內，即約在15～20m的高度范圍以內，對照柱狀圖可以確定，基本頂厚度為ME=19.0m?？迓浞绞綖榉謱涌迓?。

（2）基本頂初次來壓步距

考慮到巖石強度的變化和波動，預計基本頂初次斷裂步距在36.7±6m之間。

（3）基本頂周期來壓步距

一般為初次來壓步距的1/2.5～1/3之間。即為12.2～14.7m。

2.3 工作面支承壓力

（1）直接頂初次垮落期間的最大頂板壓力

式中：

γZ-直接頂的容重，取2.4t/m3；

LZ-直接頂初次垮落步距，16.2m；

Lk-控頂距（按頂梁長度），取6m。

代入數據得：A=14.3t/m2。

正常推進階段直接頂壓力A=MZ·γZ； 得A=10.6t/m2

（2）基本頂的壓力

初次來壓期間的頂板壓力，按照防止切頂的原則計算壓力，則：

式中：

ME-基本頂厚度，m；

γE-容重，取2.4t/m3；

L-來壓步距，36.7m；

KT—巖重分配系數，KT的選取見表1所示。

得N=6.5/3=2.2，KT=2N=4.4。

表1 KT選取

代入數據得：

基本頂周期來壓的頂板壓力，按照防止第一巖梁在煤壁切落的原則計算。

式中：

C-周期來壓步距，m。

代入數據得：

3 工作面回采側向巖層結構特征

（1）實體煤側向巖層結構

6198工作面上覆巖層直接頂為6.5m厚粉砂巖，基本頂為19m厚中砂巖。參照6197工作面開采過程中實測的礦壓數據，基本頂初次來壓步距為32m左右，周期來壓步距為13m左右，與理論計算的6198工作面的來壓數據比較吻合。

側向巖層結構特征是確定護巷煤柱寬度及沿空巷道支護設計的基礎。6197工作面煤層平均厚度2.5m，一次采全高，6.5m厚的粉砂巖直接頂隨采隨冒，基本填滿采空區(qū)，順槽寬3.4m，高3.2m，其側向巖層結構如圖1所示。

圖1 側向巖層結構

（2）沿空側側向巖層結構

受沿空順槽掘進影響及沿空工作面回采超前影響，工作面?zhèn)认驇r層結構發(fā)生變化，主要表現在：

① 巖層運動范圍擴大，側向巖層斷裂線向煤體深部偏移；

② 煤柱受頂板斷裂結構塊回轉影響，產生大變形，處于給定位移狀態(tài)；

③ 沿空順槽實體幫一定寬度處于屈服狀態(tài)，沿垂直方向處于給定位移狀態(tài)。此時工作面?zhèn)认驇r層結構如圖2所示。

4 工作面區(qū)段煤柱合理寬度

4.1 工作面礦壓觀測

巷道表面位移觀測。在6197工作面上、下順槽各設置2處測線，每條測線進行頂底板移近量和兩幫移近量的觀測。在測線巷道兩側和頂底板設置基點，每天測量頂底板移近量和兩幫移近量。自5月24日至7月14號，分別對6197上、下兩巷進行了連續(xù)觀測，測得工作面超前影響距離大于120m，工作面超前劇烈影響范圍為47m，工作面周期來壓步距為12～14m。

4.2 側向支承壓力的鉆孔應力監(jiān)測

在6197工作面上、下兩巷布置鉆孔應力計，實時監(jiān)測工作面推采過程中側向支承壓力的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖2 沿空面?zhèn)认驇r層結構

圖3 鉆孔應力計監(jiān)測方案

自05月23日至7月19號，分別對6197下巷進行了連續(xù)觀測，測得側向支承壓力峰值約為9m位置，側向低應力區(qū)范圍約為5m。

4.3 區(qū)段煤柱合理寬度的確定

從控制次生災害角度出發(fā)，煤柱寬度應大于3m；從錨桿支護 (錨桿長度2.2～2.4m)有效性角度出發(fā)，煤柱寬度應不小于5.0m；從沖擊地壓防治角度出發(fā)，沿空巷道實體幫的卸壓區(qū)寬度應不小于10m，加上沿空巷道寬3.4m，則區(qū)段煤柱寬度應不大于8.1m。綜合分析認為，合理的區(qū)段煤柱寬度為5.0～8.1m。結合鉆孔應力實測結果，區(qū)段煤柱寬度選擇6m為宜。

4.4 泄水巷影響下的合理區(qū)段煤柱寬度

6197工作面運輸巷外側有一條泄水巷，其布置是根據最小流水梯度角設計的，因走向方向彎曲復雜，導致其與6197工作面的煤柱寬度不均一。最大煤柱寬度45m，最小寬度僅6.8m。

4.5 采空區(qū)側向支承壓力計算

由于表土層較薄，基巖厚度相對較大，取巖層移動角α約為80°。由于后六采區(qū)先后開采了6196面、6197工作面，經地表巖移觀測分析19煤層開采后對地表地形影響較小，為非充分采動，可以將6196、6197兩個工作面采空區(qū)合并計算側向支承壓力。取6196、6197工作面采空區(qū)平均傾斜長度為380m，平均采深為820m，通過計算，得到6196、6197采空區(qū)一側煤體的側向支承壓力峰值位置距采空區(qū)約98m，支承壓力峰值約為67.62MPa；距采空區(qū)0～33m為低應力區(qū)；距采空區(qū)33m～196m為支承壓力影響區(qū)；距采空區(qū)196m以外為原巖應力區(qū)（如圖4）。

6198工作面位于6197工作面下部，煤層的平均傾角為28°，巖層在傾向分力的作用下向下方滑移，6198工作面開采后對上區(qū)段的影響范圍增大。6198工作面基本頂中心距煤層16m，故應力分量在煤層方向轉移距為l=16×tan28°=8.5m，則OA=33+8.5=41.5m。

圖4 采空區(qū)側向支承壓力曲線

4.6 泄水巷外側合理區(qū)段煤柱寬度

根據上述理論計算，合理的區(qū)段煤柱寬度宜選擇在OA段，即41.5m以內。此外，6197泄水巷也會對6198上巷的位置形成一定影響，一般而言，4m寬的巷道開掘后，其側向支承壓力劇烈影響區(qū)約為3～4倍巷寬，即12～16m，取平均值14m，因此，6198上巷與泄水巷距離必須大于14m。

5 結論

（1）通過理論和實測兩種方法對工作面開采過程中頂板運動規(guī)律和運動特征進行了研究，得到工作面初次來壓、周期來壓的參數。

（2）將避開側向支承壓力峰值影響、隔離采空區(qū)分別作為確定區(qū)段煤柱寬度上、下限的依據，采用理論計算、現場實測、工程類別、數值計算等方法確定了6198上區(qū)段煤柱合理寬度為5～8.1m，以6m為優(yōu)選方案，泄水巷外煤柱寬度14m為優(yōu)選方案。

（3）合理設計留設區(qū)段煤柱既有利于施工巷道穩(wěn)定，有利于沖擊地壓、水害以及次生災害控制，也最大限度地提高資源回收，沿空巷道布置在低應力區(qū)，以小煤柱與采空區(qū)隔離最為有利。