不同房采区煤柱对下覆综采工作面顶板控制影响分析

孙志刚

（汾西矿业集团水峪煤业， 山西 孝义 032300）

1 工作面开采条件

1.1 开采地质条件

22202工作面为某矿区22煤二盘区已回采的大采高综采工作面，煤层厚度3.7～4.3m，平均煤厚3.95m，厚度稳定，结构简单，平均埋深约65 m，煤层倾角1～3°。工作面松散层平均厚度约12 m，基岩平均厚度50 m，所以松散层较薄，基岩较厚。22202工作面开采区域正上方为12煤房采采空区，煤柱基本未垮落，该房采区采用连采房柱式采煤工艺，房采采高达到7～7.5 m，采硐宽度5 m，煤柱7 m。采空区总面积为11.63万m2，占22202综采面回采面积的60%左右。12煤与22煤层间距25.8～30.37 m；在回顺14联行靠近22煤火烧边界顶帮煤层局部松散变软。煤层瓦斯含量低，属二氧化碳、氮气带，煤尘具有爆炸性，属于易自燃煤层，最短发火期30 d，无地温异常。

1.2 工作面顶底板情况（见表1）

表1 22202综采工作面煤层顶底板情况

1.3 工作面布置和开采区域划分

1.3.1 工作面布置

22202工作面东侧为22400工作面，西侧为22201工作面（已回采）；南侧为22煤主斜井，北侧靠近22煤火烧边界；回采面上覆为原12煤房采区。工作面沿煤层走向布置，走向长度579.4 m，倾斜长度315.6 m，面积18.11万m2[1]。

1.3.2 开采区域划分

根据22202工作面上方采空区煤柱的特点，将工作面面长方向划分为5个监测区，各区尺寸和煤柱尺寸如下：

1）机头房采巷道区：长530 m，宽50 m，面积约26500 m2，上方1-2煤煤柱20 m×20 m。

2）房采小煤柱区：长477 m，宽104 m，面积约49608 m2，煤柱主要为7 m×7 m，有9块20 m×30 m和20 m×40 m的煤柱，采硐宽5 m。

3）房采中间隔离煤柱区：隔离煤柱长422 m，宽10 m，面积约 4220 m2。

4）房采大煤柱区：长404 m，宽85 m，面积约34340 m2，其中较小煤柱5 m×15 m，有12块15 m×40 m煤柱，采硐宽5 m。

5）机尾集中煤柱区：包括1-2煤房采巷道保护煤柱和大巷巷间煤柱，面积共约24325 m2；房采巷道保护煤柱长405m，通条煤柱宽35m，面积约14175m2；大巷巷间单条煤柱长15～60 m，宽15 m，总煤柱面积约10150 m2[2]。

2 煤柱集中载荷在底板中传递规律

房采区煤柱上所受载荷的大小与煤层埋深、煤柱尺寸、煤房尺寸、煤层倾角、覆岩岩性等因素有关，煤层埋藏越深、覆岩容重越大、煤层倾角越小，顶板压力作用在煤柱的竖直分力就越大。在工程研究中，可以用简化的力学模型计算出房采区煤柱所承受的平均载荷[1-3]。

根据“辅助面积法”，只考虑煤柱上覆岩层的自重应力场，认为房采采空区上覆岩层全部或部分重力加载到煤柱上，即煤柱所支撑的区域包括煤柱上方和外侧相当于煤房或巷道1/2的区域。大井12煤房采区最小尺寸煤柱为7 m×7 m，采硐均为宽5 m，由于采硐宽度较小，且开采时间久远，除房采采空区内直接顶冒落外，老顶基本不会冒落，并且采硐内冒落的直接顶矸石不承载顶板岩重，即矸石不接顶。

由于煤层倾角1°～3°近乎水平，所以按照最危险工况考虑，认为煤柱及采硐上覆岩层的全部重量全部加载在所留设的煤柱宽度上，房采区煤柱承受载荷示意图如图1所示[3]。

图1 房采区煤柱承受载荷示意图

房采区煤柱所受均布载荷作用的平均垂直应力σs按下式计算[4]：

式中：γ为上覆岩层平均容重，kN/m3；H为平均开采深度，m；ρ为采出率；A为房采区采硐宽度，m；W为房采煤柱宽度，m；L为房采煤柱长度，m。

另L=W，公式得

由上式可知，在埋藏深度和覆岩容重一定时，煤柱所受的集中应力与煤柱尺寸和周边采硐情况有关。22202工作面采硐均为5 m，根据“辅助面积法”可知，工作面未开采时，即煤柱均未发生破坏，大煤柱所受的集中应力要小于小煤柱。

3 不同开采条件对工作面矿压影响模拟

根据工作面支架选型状况，模拟设计工作面支架的支护强度为1.38 MPa，控顶距5 m，综采工作面采高为3.7 m。以工作面煤壁处设为坐标0点，支架侧为正坐标，煤体一侧为负坐标，对模型a（均匀小型煤柱）、模型b（均匀大型煤柱）、模型c（孤立大型煤柱模型）和d（实体煤）进行数值运算。

统计4种模型中部监测点工作面顶板下沉量对比，如表2和图2所示。

由表2和图2可知：

表2 4种模型中部监测点工作面顶板下沉量 mm

图2 4种模型中部监测点工作面顶板下沉量

1）工作面支架上方，模型a（均匀小型煤柱）顶板下沉量约为110mm，模型b（均匀大型煤柱）顶板下沉量约为50mm，模型c（孤立大煤柱）顶板下沉量约为330mm，模型d（实体煤）顶板下沉量约为19mm[4]；

2）工作面上方为实体煤时，顶板下沉量微小，房采区下工作面顶板下沉量明显大于在实体煤下；

3）模型a（均匀小型煤柱）顶板下沉量要大于均匀大煤柱下，均匀小煤柱条件下顶板下沉量与实测基本吻合，而大煤柱条件下均在工作面两端，对工作面影响不大，甚至形成“弧三角形悬板”结构，表现出两端无周期来压现象，并未测量其顶板下沉量；

4）当上方房柱采空区为孤立大型煤柱时，支架上方顶板下沉量要明显大于其他3种条件下，而顶板下沉量约为330mm，与实测数据基本吻合。

统计模型a（均匀小型煤柱）与模型c（孤立大煤柱）在开挖300 m后的工作面顶板垂直应力，见表3和下页图3。

表3 模型a与模型c的工作面顶板垂直应力 MPa

由表3和下页图3可知，工作面支架上方，模型a（均匀小煤柱）顶板垂直应力约为1.6 MPa，模型c（孤立大煤柱）顶板垂直应力约为1.8 MPa，即当上方房柱采空区为大型煤柱时，支架上方顶板垂直应力比小型煤柱条件下的顶板垂直应力大0.2 MPa[5]。

4 结论

1）工作面未开采时，大煤柱所受的集中应力要小于小煤柱；但大煤柱集中应力在底板中传递距离20 m大于小煤柱的15 m；工作面采动时，大煤柱周围的小煤柱破坏，形成孤立大煤柱，此时该煤柱承担的顶板面积变大，形成的集中应力在底板中传递深度加大，造成工作面顶板应力集中现象。

图3 模型a与模型c的工作面顶板垂直应力

2）对不同开采条件对工作面矿压影响模拟得出，工作面在孤立大煤柱下顶板下沉量（330mm）最大，均匀小煤柱下（110mm）次之，实体煤下（19mm）最小，均匀大煤柱下为（50mm）小于均匀小煤柱下；孤立大煤柱下顶板垂直应力（1.8 MPa）比均匀小煤柱下顶板垂直应力1.6 MPa大0.2 MPa，即孤立大煤柱顶板压力明显大于均匀煤柱。