大采高工作面區(qū)段合理煤柱寬度研究

張海榮 索永錄

（1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程系，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054）

針對大采高綜采面，區(qū)段煤柱的合理留設(shè)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(jì)煤田榆神礦區(qū)金雞灘煤礦2-2上煤101工作面為大采高綜采面，區(qū)段煤柱尺寸參照相鄰礦井留設(shè)，煤柱寬度較大。為了提高煤炭采出率，對綜采工作面煤柱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工作面開采技術(shù)條件

101大采高綜采面布置在侏羅紀(jì)延安組2-2上煤層中，設(shè)計(jì)采高5.5m，工作面長度300m，推進(jìn)長度4372m。工作面皮帶巷與輔運(yùn)巷間留設(shè)35m寬煤柱。工作面四周均為實(shí)煤區(qū)。接續(xù)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(jié)構(gòu)簡單，埋深平均為136m。煤層直接頂主要為粉砂巖和細(xì)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?；卷敒榫藓裆皫r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(wǎng)索支護(hù)。

圖1 工作面巷道布置圖

2 煤柱側(cè)向支承壓力實(shí)測

2.1 實(shí)測方案

采用煤柱鉆孔液壓枕實(shí)測方法，在接續(xù)面推進(jìn)一定距離時(shí)，距切眼煤壁180m左右，在首采面皮帶巷與接續(xù)面回風(fēng)巷之間利用已有聯(lián)巷設(shè)站。在聯(lián)巷內(nèi)，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(cè)按1m的間距各布置液壓枕10個(gè)，在煤柱中間區(qū)域按1.5m的間距布置液壓枕9個(gè)。工作面推過測站100m時(shí)觀測結(jié)束。每兩天采集一次數(shù)據(jù)。觀測共安設(shè)近30套設(shè)備，由回采側(cè)到采空側(cè)方向依序編號(hào)。

2.2 實(shí)測結(jié)果分析

根據(jù)方案對煤柱寬度方向上的支承壓力進(jìn)行觀測。在接續(xù)面正常推進(jìn)前提下，共采集了21次數(shù)據(jù)。分別對測站距切眼煤壁4.8m、19.2m、1.3m、0m及-9.6m時(shí)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，形成煤柱側(cè)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(shí)煤柱支承壓力分布圖

由圖2知，當(dāng)測站處于超前支承壓力影響范圍外時(shí)（40.8m），煤柱兩側(cè)支承壓力隨工作面的推進(jìn)在升高，中部壓力值在下降，總體上呈現(xiàn)“雙駝峰狀”應(yīng)力分布狀態(tài)。當(dāng)測站處于超前支承壓力影響范圍內(nèi)時(shí)（19.2m、10.3m），煤柱兩側(cè)應(yīng)力呈不對稱分布，回采側(cè)高、非采側(cè)低，且回采側(cè)應(yīng)力值上升明顯。當(dāng)工作面過觀測站并逐漸遠(yuǎn)離觀測站時(shí)（0m、-9.6m），回采側(cè)煤柱應(yīng)力集中程度趨低，支承壓力逐漸向非采側(cè)轉(zhuǎn)移，應(yīng)力呈不對稱分布。

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來看，回采側(cè)應(yīng)力峰值為9.37MPa，非采側(cè)的為8.76MPa，塑性區(qū)范圍分別為0～7m和0～6m，工作面初始應(yīng)力為3.4MPa，由此算得煤柱兩側(cè)支承壓力集中系數(shù)分別為2.6和2.4，距工作面較遠(yuǎn)一側(cè)應(yīng)力集中程度較高。

由圖2中4號(hào)測點(diǎn)可以看出，當(dāng)測站距工作面切眼煤壁19.2m時(shí)，應(yīng)力呈增加趨勢，直至測站處于超前支承壓力影響范圍內(nèi)時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)力峰值，之后呈降低趨勢。中部測點(diǎn)12～16之間煤柱支承壓力基本無明顯變化，應(yīng)力值保持在3.6～4.3MPa之間，接近初始應(yīng)力值。從整個(gè)分布狀態(tài)來看，煤柱寬度方向上應(yīng)力呈現(xiàn)“雙駝峰狀”分布狀態(tài)，沒有出現(xiàn)應(yīng)力疊加現(xiàn)象。該礦2-2上煤單軸抗壓強(qiáng)度為24.5MPa，該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于實(shí)測煤柱支承壓力峰值。由此可知，所留設(shè)35m煤柱符合穩(wěn)定性煤柱特點(diǎn)，呈超穩(wěn)定狀態(tài)，留設(shè)寬度偏大。為了提高資源采出率，需重新計(jì)算留設(shè)煤柱寬度。

3 煤柱留設(shè)寬度理論計(jì)算分析

運(yùn)用載荷估算法和塑性理論計(jì)算法，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，分別計(jì)算2--2上煤工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度。煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

3.1 載荷估算法

一般認(rèn)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(cè)回采引起的載荷P2[4]。開鑿巷道形成的載荷依據(jù)輔助面積理論計(jì)算。認(rèn)為煤柱均勻地支撐著其上覆巖層的重量，同時(shí)也支撐著其兩側(cè)護(hù)巷寬度一半范圍內(nèi)巖石的重量?；夭梢鸬妮d荷主要與采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)有關(guān)，采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)與煤柱載荷呈正比關(guān)系。

式中：

B1、B2-煤柱兩側(cè)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(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)。

上式累加知：

由此可得煤柱上的平均應(yīng)力為：

一般情況下，煤柱強(qiáng)度與煤試樣的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度，MPa；

M-煤柱的高度，m。

研究表明，當(dāng)煤柱上的平均應(yīng)力小于等于煤柱的強(qiáng)度時(shí)，煤柱就可以保持穩(wěn)定。據(jù)此，將針對該礦的相關(guān)參數(shù)代入得：當(dāng)B≥12.3m時(shí)，可保證煤柱穩(wěn)定。

3.2 塑性理論計(jì)算法

塑性理論認(rèn)為：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中部存在彈性核區(qū)，當(dāng)彈性核的寬度大于等于煤柱高度的2倍時(shí)，煤柱可保持穩(wěn)定[5]。即保證煤柱穩(wěn)定的計(jì)算公式可如下表示：

式中：

x0-煤柱靠近工作面一側(cè)形成的塑性區(qū)寬度，m；

x1-煤柱遠(yuǎn)離工作面一側(cè)形成的塑性區(qū)寬度，m。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測分析知，煤柱側(cè)向支承壓力峰值距離巷幫最遠(yuǎn)為6m，表明靠近工作面?zhèn)刃纬傻乃苄詤^(qū)寬度x0=6m。彈性核寬度為工作面巷道高度的2倍，計(jì)算得10.4m。

根據(jù)極限平衡理論，遠(yuǎn)離工作面?zhèn)刃纬傻乃苄詤^(qū)寬度x1為：

式中：

h-巷道高度，m；

μ-泊松比；

φ-煤體內(nèi)摩擦角，°；

C0-煤體的內(nèi)聚力，MPa；

P0-巷幫支護(hù)強(qiáng)度，MPa。

將實(shí)測數(shù)據(jù)和表1中部分參數(shù)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(qū)段煤柱寬度應(yīng)不小于23.9m。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)以上研究結(jié)果，將在金雞灘礦103工作面回采時(shí)留設(shè)25m寬區(qū)段煤柱，在保持原有工作面巷道支護(hù)方式和參數(shù)不變的條件下進(jìn)行工程試驗(yàn)。距切眼煤壁80m處，采用十字布點(diǎn)法分別對103工作面皮帶巷和回風(fēng)巷側(cè)向表面位移進(jìn)行觀測并統(tǒng)計(jì)位移量。發(fā)覺煤柱側(cè)向表面沒有明顯的變形情況，頂板也未發(fā)生明顯的下沉破壞現(xiàn)象。103工作面回風(fēng)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(fēng)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(dāng)工作面煤壁距測站不在超前支護(hù)范圍時(shí)，巷幫移近量緩慢上升，移近速度在20mm/d范圍內(nèi)；當(dāng)工作面推進(jìn)距測站接近超前支護(hù)范圍時(shí)，巷幫移近速度和移近量顯著增大，日變形量達(dá)62mm/d；當(dāng)“兩面”距離在10m以內(nèi)時(shí)，移近量加速上升，最終巷道移近量處于350mm范圍內(nèi)，是由于此時(shí)煤體處于塑性狀態(tài)。分析表明，該巷道在受采動(dòng)影響后，其變形量在工程允許范圍之內(nèi)。留設(shè)煤柱寬度可滿足安全生產(chǎn)的要求。現(xiàn)場在采集回風(fēng)巷測站數(shù)據(jù)的同時(shí)也對皮帶巷巷幫移近數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。圖4表明，皮帶巷變形情況基本與回風(fēng)巷一致，最終變形量也在工程允許范圍內(nèi)。由此可知，現(xiàn)場試驗(yàn)所留煤柱是可以滿足正常生產(chǎn)需要的。

5 結(jié)語

（1）實(shí)測煤柱側(cè)向支承壓力，可知巷道受兩次采動(dòng)影響后原來留設(shè)的煤柱呈超穩(wěn)定狀態(tài)，煤柱尺寸偏大。

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

（3）按25m留設(shè)煤柱進(jìn)行工程試驗(yàn)，在工作面兩巷內(nèi)設(shè)站實(shí)測巷道移近變形情況，分析表明所留設(shè)煤柱可滿足安全生產(chǎn)需要，節(jié)約了資源，提高了回采率，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有推廣價(jià)值。