綜采面區(qū)段窄煤柱合理尺寸研究

竇 平

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

區(qū)段煤柱對(duì)綜采工作面安全開采具有重要作用，是維護(hù)工作面回采巷道安全開采的重要隔離體[1-3]。莒山礦3 號(hào)煤層屬于優(yōu)質(zhì)煤，目前3 號(hào)煤層已越來越少，以往工作面之間的煤柱尺寸為30 m，造成了煤炭資源的大量損失，縮短了礦井的服務(wù)年限。為實(shí)現(xiàn)礦井可持續(xù)發(fā)展，對(duì)3 號(hào)煤層綜采工作面區(qū)段煤柱合理尺寸進(jìn)行研究，確定合理的煤柱尺寸。

1 工作面概況

3208 工作面所采的3 號(hào)煤層平均埋深238 m，平均厚度為6.2 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2 層矸石。該煤層穩(wěn)定可采，煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主，局部發(fā)育薄層泥巖偽頂；底板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖。工作面設(shè)計(jì)長度120 m，推進(jìn)長度1400 m，采用綜放工藝回采，其中采2. 2 m，放4.0 m，端頭不放煤。3102 回風(fēng)順槽沿底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)為矩形斷面，尺寸為3000 mm×3000 mm。

2 區(qū)段煤柱尺寸研究

2.1 煤柱中部彈性核區(qū)尺寸

綜采工作面在回采過程中采空區(qū)側(cè)向上覆巖層會(huì)出現(xiàn)破壞運(yùn)移，在工作面回采后區(qū)段煤柱主要由采空區(qū)側(cè)破碎區(qū)、煤柱中部彈性核區(qū)及錨桿有效支護(hù)區(qū)組成。留設(shè)窄煤柱時(shí)為保證回采巷道圍巖穩(wěn)定，通常要求煤柱中部應(yīng)具有一定寬度的彈性核區(qū)，即彈性穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)上一工作面回采結(jié)束后，煤柱一側(cè)為采空區(qū)，另一側(cè)為工作面回風(fēng)順槽。根據(jù)SMP 強(qiáng)度準(zhǔn)則[4-6]，區(qū)段煤柱中部彈性核區(qū)寬度按下式計(jì)算：

式中：L1、L2分別為煤柱中部靠近采空區(qū)及靠近工作面回風(fēng)巷道一側(cè)彈性核區(qū)的寬度，m；K1為上工作面采空區(qū)殘余采動(dòng)影響系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測取1.68；K2為本工作面采動(dòng)影響系數(shù)，取1.8；σ0為煤體粘結(jié)力；η 為巖層側(cè)壓系數(shù)；φ 為煤體內(nèi)摩擦角，取28°；M 為采高，取巷道高區(qū)3.0 m；H為煤層埋藏深度，取238 m。

上述公式計(jì)算，得W=2.14 m。即上工作面回采結(jié)束后煤柱中部區(qū)域彈性核區(qū)的寬度為2.14 m。

2.2 破碎區(qū)域?qū)挾确治?/h3>

一次采動(dòng)影響后，區(qū)段煤柱受上工作面影響，在靠近采空區(qū)側(cè)一定范圍內(nèi)會(huì)受采動(dòng)影響而發(fā)生破壞，即煤柱靠近采空區(qū)邊緣存在一定范圍的破碎區(qū)。在以往3 號(hào)煤層相鄰的一采區(qū)回采過程中對(duì)采空區(qū)側(cè)向破碎區(qū)域的寬度進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，現(xiàn)場鉆孔監(jiān)測研究結(jié)果破碎區(qū)域?qū)挾葹?.68 m。3208 綜采工作面位于莒山礦2 采區(qū)，與一采區(qū)相鄰，工作面實(shí)際開采地質(zhì)條件基本相同，且無特殊地質(zhì)構(gòu)造，通過工程類比，確定煤柱采空區(qū)側(cè)向破碎區(qū)寬度為2.7 m。

2.3 區(qū)段煤柱尺寸確定

根據(jù)上述分析可知，一次采動(dòng)影響后區(qū)段煤柱中部穩(wěn)定彈性核區(qū)寬度為2.14 m，采空區(qū)側(cè)向破碎區(qū)寬度為2.7 m?？紤]到回風(fēng)巷道一側(cè)錨桿有效支護(hù)長度取2.4 m，則區(qū)段煤柱最小寬度為7.24 m。綜合考慮地質(zhì)采礦條件及巷道支護(hù)條件，取區(qū)段煤柱寬度為8 m。

3 巷道圍巖支護(hù)方案

采用窄煤柱護(hù)巷時(shí)，上工作面回采結(jié)束后，3208綜采工作面回風(fēng)順槽一側(cè)為區(qū)段煤柱，一側(cè)為實(shí)體煤。在所確定的煤柱尺寸的基礎(chǔ)上，根據(jù)以往的支護(hù)實(shí)踐，3208 工作面回風(fēng)順槽主要支護(hù)方案如下：

巷道頂板采用Ф20 mm×2400 mm 型左旋螺紋鋼錨桿，每排布置2 根，間距為800 mm，排距為800 mm。外側(cè)錨桿與豎直方向呈15°夾角，中部錨桿垂直于頂板布置。煤柱幫及煤壁幫均采用Ф20 mm×2000 mm 型螺紋鋼錨桿，間距為800 mm，排距為800 mm。幫部最上方及最下方錨桿與水平方向呈15°夾角，中部錨桿垂直于幫部打設(shè)。

錨索采用Ф15.24 mm×8300 mm 型高強(qiáng)度鋼絞線，“1-2-1”型布置。當(dāng)布置2 根錨索時(shí)間距為1600 mm，布置1 根錨索時(shí)布置于頂板中部，垂直于頂板打設(shè)，排距為1800 mm。巷道支護(hù)斷面如圖1 所示。

圖1 巷道支護(hù)斷面

4 工程實(shí)踐

3208 工作面采用窄煤柱護(hù)巷，實(shí)際留設(shè)煤柱寬度為8 m。在實(shí)際生產(chǎn)過程中巷道頂板最大下沉量363 mm，煤柱幫最大變形量305 mm，實(shí)體煤幫最大變形量186 mm，底板最大變形量213 mm。巷道整體變形較小，表明區(qū)段煤柱設(shè)計(jì)合理，圍巖得到有效控制，可以滿足工作面實(shí)際回風(fēng)及輔助運(yùn)輸要求。

5 結(jié)語

根據(jù)莒山礦3208 綜采工作面實(shí)際地質(zhì)條件，通過理論分析確定區(qū)段煤柱中部彈性核區(qū)寬度為2.14 m，通過工程實(shí)踐確定了區(qū)段煤柱破碎區(qū)寬度為2.7 m，綜合分析確定煤柱寬度為8 m。實(shí)踐表明煤柱尺寸設(shè)計(jì)合理，工作面開采過程中巷道圍巖變形量較小，可以滿足生產(chǎn)要求。