厚煤层综采放顶煤工艺区段煤柱采用小煤柱技术创新

王刚

近年来，沿空掘巷技术开始在全国范围内大面积推广应用。大多数是在中厚煤层中留设区段小煤柱进行沿空掘巷，工作面采放高度一般小于 6m，矿山压力显现较平稳。砚北煤矿为强烈矿压显现矿井，采煤方法为特厚煤层分层综放开采。在该矿条件下特厚煤层分层综放开采留设小煤柱沿空掘巷技术的试验成功，将开创特厚易燃煤层、分层综放开采条件下沿空掘巷技术的先例，将给周边矿井同类条件下的巷道布置和采掘技术带来新的活力和革新，极大地提高资源回收率，减小矿山压力对矿井安全生产的影响。

一、工作面情况

砚北煤矿现开采 5# 煤层，最大开采深度 800m 左右。5#煤为特厚煤层，平均厚度为 37. 5m，煤层倾角 0°～ 9°，煤层具有强冲击地压倾向性。采区煤岩综合柱状图如图 1所示。

试验地点选在砚北煤矿 250206 上工作面运输巷。250206 上工作面倾向长 200m，走向长 2000m，工作面采用综采放顶煤开采。250206 上工作面运输巷位于 5# 煤层中部，其顶部为 10m 左右的顶煤，底部为 10m 多的底煤； 东部是 250205 上工作面，中间留 7. 6m 小煤柱，西部是实体煤。工作面标高为 + 1039 ～ + 1157m，运输巷埋深为 410m。工作面布置示意图如图 2 所示。

二、 煤柱宽度理论计算

护巷煤柱在受工作面回采影响时能保持稳定的最小尺寸为区段煤柱的合理留设尺寸。要保持煤柱稳定则需满足的基本条件是： 留设煤柱本身的极限抗压强度大于工作面采动引起的超前侧向支承压力峰值，控制向煤柱深部发展的巷道裂隙不与采空区裂隙贯通，即： 区段煤柱中保持一定宽度的弹性区域。煤柱极限强度采用式（1） 计算：

式中，k 为应力集中系数； γ 为岩层平均容重，MN /m3 ； H 为巷道埋深，m； η 为煤岩流变系数； σc 为煤岩试块的单轴抗压强度，MPa。以煤巷两帮应力和极限平衡理论为依据，结合图 3得出合理的最小区段煤柱宽度是：

式中，B 为区段煤柱宽度，m； x1 为煤柱在采空区一侧的塑性区宽度，m； x2 为锚杆锚入煤柱的深度，m， x3为安全系数，x3 = （0. 15 ～ 0. 35）（x1+ x2）；m为煤层厚度，m；A为侧压系数；C0和Φ0分别为煤层的内聚力和内摩擦角；Px为巷帮的支护强度，MPa。

根据砚北煤矿5# 煤层的赋存特点及煤岩体物理力学性质和强度指标测试结果，区段煤柱宽度计算所需各参数的选取见表 1，将表 1 中各参数值代入式（1）～ 式（3） ，计算得区段煤柱宽度 B = 7. 19m。

三、数值模拟分析

以砚北煤矿煤岩层物理力学参数及煤层柱状图为依据，建立 FLAC3D 数值模拟模型，参数选取参照表 2。为详细分析不同宽度区段煤柱情况下煤岩受力变形情况，选取留设煤柱宽度为 3m、5m、10m、15m、30m 五种方式，分别模拟计算。

煤柱侧的侧向支承压力分布情况如图 4 所示；煤柱宽度与巷道围岩变形的关系如图 5 所示。分析图 5 可知： 煤柱宽 30m 时，采动后巷道顶板下沉量为67mm，两帮移近量为 129mm；煤柱宽 15m 时，顶板下沉量较煤柱宽 30m 时增加 57mm，两帮移近量增加141mm；煤柱宽 10m 时，顶板下沉量较煤柱宽 15m 时增加8mm，变化不大，两帮移近量增加 64mm，其中，煤柱侧帮位移增加 52mm，煤柱的剪切破坏深度达 3m； 可见，随着煤柱尺寸越小，巷道变形量越大。仅留设 5m 宽煤柱时，巷道顶板下沉量较煤柱宽 10m 时减少 44mm，两帮移近量增加36mm，煤柱内全部发生剪切破坏。分析上述模拟结果，可得出留设 10m左右的煤柱是比较合理的。综合分析理论计算结果、数值模拟计算结果及综放工作面的矿压显现情况得出：煤柱合理留设宽度确定为7. 6m。

四、现场观测分析

250206 上工作面运输巷与 205205 上工作面间按 7. 6m留设区段煤柱，并采用合理支护参数支护巷道。受相邻采空区影响，巷道煤柱侧帮侧压较大，但煤层顶板比较完整，巷道变形不明显。

在工作面巷道内安设测站，共设 7 个测站。测站包括两个巷道表面位移监测断面，一个锚杆受力监测断面，两个锚索受力监测断面。综合整理分析观测数据绘出了煤柱应力的变化曲线，煤柱应力变化呈现如下特点：（1）区段小煤柱内存在一个位置不变的应力峰值区，该峰值区距采空区侧煤壁 3～ 4m。工作面推进过程中，峰值点右侧 2m 范围内应力逐渐升高，达到最大值后下降。说明该区域内的煤体发生了从弹性变形向塑性变形的转变。（2）区段小煤柱应力峰值区两侧应力迅速降低，且峰值区右侧应力值基本保持不变。说明上区段采空区上覆岩层运动对区段煤柱的影响已经基本结束。（3）峰值区左侧煤柱应力明显高于峰值区右侧煤柱应力。说明由于采用合理的支护形式和支护参数，提高了煤体的强度，使煤柱保持较高的承载能力。

五、结束语

分析了沿空掘巷巷道所处位置应力场的特征和煤柱与巷道围岩的结构关系，说明了特厚煤层分层综放开采留小煤柱护巷是可行的。通过对留设不同宽度护巷煤柱下巷道应力和变形的计算机数值模拟分析得出： 煤柱在巷道掘进和回采期间都是主要的承载体。通过对现场实测的分析得到：①煤柱侧向应力最大值位于距采空区侧煤壁 3 ～ 4m 范围内；②煤柱应力峰值区左侧煤柱应力明显高于峰值区右侧煤柱应力，说明由于采用合理的支护形式和支护参数，提高了煤体的强度，使煤柱保持较高的承载能力。 计算机数值模拟与现场实测相符性较好，说明了此种确定护巷煤柱宽度方法是合理可行的。区段小煤柱宽度在 6～ 8m 之间时，其中部存在一定范围的弹性区域，因此，适合砚北煤矿条件的合理区段煤柱留设宽度应为 6 ～ 8m。

（作者单位：铜川西川矿业有限公司）