大采高工作面区段合理煤柱宽度研究

张海荣 索永录

（1.榆林职业技术学院矿业工程系，陕西 榆林 719000；2.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054）

针对大采高综采面，区段煤柱的合理留设是确保其安全、高效回采和最大限度回收煤炭资源的重要问题[1-3]。陕西北部侏罗纪煤田榆神矿区金鸡滩煤矿2-2上煤101工作面为大采高综采面，区段煤柱尺寸参照相邻矿井留设，煤柱宽度较大。为了提高煤炭采出率，对综采工作面煤柱进行了优化设计。

1 工作面开采技术条件

101大采高综采面布置在侏罗纪延安组2-2上煤层中，设计采高5.5m，工作面长度300m，推进长度4372m。工作面皮带巷与辅运巷间留设35m宽煤柱。工作面四周均为实煤区。接续面为102工作面。工作面巷道布置见图1所示。

2-2上煤厚度变化小，结构简单，埋深平均为136m。煤层直接顶主要为粉砂岩和细砂岩，均厚1.77m，局部大于6.0m。伪顶分布于井田南部，面积2km2左右。基本顶为巨厚砂岩体厚度在5～25m之间，属Ⅱ～Ⅲ级。煤层底板主要由粉砂岩和泥岩组成，属Ⅲ类较软底板。回采巷道均采用锚网索支护。

图1 工作面巷道布置图

2 煤柱侧向支承压力实测

2.1 实测方案

采用煤柱钻孔液压枕实测方法，在接续面推进一定距离时，距切眼煤壁180m左右，在首采面皮带巷与接续面回风巷之间利用已有联巷设站。在联巷内，距离底板1.5m高度沿煤柱宽度方向上打钻安装液压枕。钻孔直径Ф45mm，孔深5.5m。在煤柱宽度方向上，煤柱两侧按1m的间距各布置液压枕10个，在煤柱中间区域按1.5m的间距布置液压枕9个。工作面推过测站100m时观测结束。每两天采集一次数据。观测共安设近30套设备，由回采侧到采空侧方向依序编号。

2.2 实测结果分析

根据方案对煤柱宽度方向上的支承压力进行观测。在接续面正常推进前提下，共采集了21次数据。分别对测站距切眼煤壁4.8m、19.2m、1.3m、0m及-9.6m时所采集的数据进行整理，形成煤柱侧向支承压力分布图，如图2所示。

图2 测站至工作面不同距离时煤柱支承压力分布图

由图2知，当测站处于超前支承压力影响范围外时（40.8m），煤柱两侧支承压力随工作面的推进在升高，中部压力值在下降，总体上呈现“双驼峰状”应力分布状态。当测站处于超前支承压力影响范围内时（19.2m、10.3m），煤柱两侧应力呈不对称分布，回采侧高、非采侧低，且回采侧应力值上升明显。当工作面过观测站并逐渐远离观测站时（0m、-9.6m），回采侧煤柱应力集中程度趋低，支承压力逐渐向非采侧转移，应力呈不对称分布。

根据采集的数据来看，回采侧应力峰值为9.37MPa，非采侧的为8.76MPa，塑性区范围分别为0～7m和0～6m，工作面初始应力为3.4MPa，由此算得煤柱两侧支承压力集中系数分别为2.6和2.4，距工作面较远一侧应力集中程度较高。

由图2中4号测点可以看出，当测站距工作面切眼煤壁19.2m时，应力呈增加趋势，直至测站处于超前支承压力影响范围内时，出现应力峰值，之后呈降低趋势。中部测点12～16之间煤柱支承压力基本无明显变化，应力值保持在3.6～4.3MPa之间，接近初始应力值。从整个分布状态来看，煤柱宽度方向上应力呈现“双驼峰状”分布状态，没有出现应力叠加现象。该矿2-2上煤单轴抗压强度为24.5MPa，该数据远大于实测煤柱支承压力峰值。由此可知，所留设35m煤柱符合稳定性煤柱特点，呈超稳定状态，留设宽度偏大。为了提高资源采出率，需重新计算留设煤柱宽度。

3 煤柱留设宽度理论计算分析

运用载荷估算法和塑性理论计算法，并结合现场实测数据，分别计算2--2上煤工作面区段煤柱留设宽度。煤岩体物理力学参数见表1。

表1 煤岩体物理力学参数

3.1 载荷估算法

一般认为煤柱所受载荷P是由两部分组成的，分别是开凿巷道形成的载荷P1和两侧回采引起的载荷P2[4]。开凿巷道形成的载荷依据辅助面积理论计算。认为煤柱均匀地支撑着其上覆岩层的重量，同时也支撑着其两侧护巷宽度一半范围内岩石的重量。回采引起的载荷主要与采动应力集中系数有关，采动应力集中系数与煤柱载荷呈正比关系。

式中：

B1、B2-煤柱两侧巷道宽度，m；

B-煤柱宽度，mm；

H-巷道埋深，mm；

γ-上覆岩层平均容重，kN/m3；

k-采动应力集中系数。

上式累加知：

由此可得煤柱上的平均应力为：

一般情况下，煤柱强度与煤试样的抗压强度成正比，且随煤柱宽高比的增大而增大。用以下公式表示：

式中：

RC-煤的单轴抗压强度，MPa；

M-煤柱的高度，m。

研究表明，当煤柱上的平均应力小于等于煤柱的强度时，煤柱就可以保持稳定。据此，将针对该矿的相关参数代入得：当B≥12.3m时，可保证煤柱稳定。

3.2 塑性理论计算法

塑性理论认为：煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱中部存在弹性核区，当弹性核的宽度大于等于煤柱高度的2倍时，煤柱可保持稳定[5]。即保证煤柱稳定的计算公式可如下表示：

式中：

x0-煤柱靠近工作面一侧形成的塑性区宽度，m；

x1-煤柱远离工作面一侧形成的塑性区宽度，m。根据现场实测分析知，煤柱侧向支承压力峰值距离巷帮最远为6m，表明靠近工作面侧形成的塑性区宽度x0=6m。弹性核宽度为工作面巷道高度的2倍，计算得10.4m。

根据极限平衡理论，远离工作面侧形成的塑性区宽度x1为：

式中：

h-巷道高度，m；

μ-泊松比；

φ-煤体内摩擦角，°；

C0-煤体的内聚力，MPa；

P0-巷帮支护强度，MPa。

将实测数据和表1中部分参数代入（7）式得x1=7.5m。

由此可得：

B≥x0+2M+x1=6+10.4+7.5=23.9m，即区段煤柱宽度应不小于23.9m。

4 工程应用

根据以上研究结果，将在金鸡滩矿103工作面回采时留设25m宽区段煤柱，在保持原有工作面巷道支护方式和参数不变的条件下进行工程试验。距切眼煤壁80m处，采用十字布点法分别对103工作面皮带巷和回风巷侧向表面位移进行观测并统计位移量。发觉煤柱侧向表面没有明显的变形情况，顶板也未发生明显的下沉破坏现象。103工作面回风巷帮和皮带巷帮移近量和移近速度变化曲线如图3、图4所示。

图3 回风巷帮移近量和移近速度变化曲线图

图4 皮带巷帮移近量和移近速度变化曲线图

由图3可看出，当工作面煤壁距测站不在超前支护范围时，巷帮移近量缓慢上升，移近速度在20mm/d范围内；当工作面推进距测站接近超前支护范围时，巷帮移近速度和移近量显著增大，日变形量达62mm/d；当“两面”距离在10m以内时，移近量加速上升，最终巷道移近量处于350mm范围内，是由于此时煤体处于塑性状态。分析表明，该巷道在受采动影响后，其变形量在工程允许范围之内。留设煤柱宽度可满足安全生产的要求。现场在采集回风巷测站数据的同时也对皮带巷巷帮移近数据进行收集。图4表明，皮带巷变形情况基本与回风巷一致，最终变形量也在工程允许范围内。由此可知，现场试验所留煤柱是可以满足正常生产需要的。

5 结语

（1）实测煤柱侧向支承压力，可知巷道受两次采动影响后原来留设的煤柱呈超稳定状态，煤柱尺寸偏大。

（2）采用载荷估算和塑性理论计算法计算煤柱留设宽度，得出合理煤柱尺寸宜不小于23.9m。

（3）按25m留设煤柱进行工程试验，在工作面两巷内设站实测巷道移近变形情况，分析表明所留设煤柱可满足安全生产需要，节约了资源，提高了回采率，实现了良好的经济效益，具有推广价值。