南阳坡煤矿8800综放工作面临空小煤柱尺寸研究

李 斌，李 刚，汪北方

(1.大同煤矿集团 铁峰煤业有限公司，山西 朔州 036000；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 12300)

综放开采在我国厚煤层矿井己被广泛应用，逐渐成为经济、有效的厚煤层开采方法之一。但在长期实践过程中，仍存在一些关键技术难题亟待解决，其中沿空掘巷期间留设合理煤柱尺寸问题尤为凸显，直接决定着巷道稳定和煤炭回采率[1，2]。为此，国内专家、学者相继展开了大量研究工作。李潞斌等[3]利用有限差分软件模拟了不同临空煤柱尺寸条件下，巷道围岩应力和位移变化规律，得出巷道煤柱合理尺寸。孟冯超等[4]基于极限平衡原理，分析了巷道围岩支承压力分布及失稳破坏特点，确定了工作面合理护巷煤柱尺寸。张航等[5]根据煤柱防漏风能力与其细观结构损伤间的关系，结合岩体损伤过程中渗流特性差异，设计出易自燃煤层沿空掘巷合理煤柱尺寸。张永久等[6]在综放工作面临空巷道运动规律及覆岩结构研究的基础上，得到了类似开采条件下合理护巷煤柱尺寸。韩承强等[7]通过现场监测实验，测试了沿空掘巷区段煤柱应力演变情况，阐释了工作面超前支承压力作用范围及煤柱变形响应特征，明确了煤柱合理尺寸。

尽管关于煤柱合理尺寸的研究已从数值模拟、理论分析和现场试验等方面取得了较为显著的成果。但由于地质环境和开采条件的差异，煤柱合理尺寸的研究成果存在较大区别，很难建立起一套普适的理论标准。因此，目前仍需要根据特定的生产地质条件，进行具体问题具体分析。以南阳坡煤矿8800综放工作面沿空掘进巷道的临空煤柱为研究对象，采用理论分析、相似实验和现场观测相结合的研究方法系统研究其合理尺寸。

1 工程背景

南阳坡煤矿8800综放工作面位于408盘区中部，北部为408盘区大巷，南部和西部为早期采空区，东部为8805工作面采空区，已于2015年回采结束，上覆3#煤层为实体煤区，工作面标高1198～1212m，具体工作面位置如图1所示。工作面主采5#煤层，厚度10.53m，倾角3°，煤层结构复杂，老顶为中粒砂岩厚度13.52m，直接顶为砂质泥岩厚度3.11m，直接底为中粒砂岩厚度2.65m。总体来看，5#煤层地质条件简单，煤层赋存稳定，仅有小型断层或裂隙，无瓦斯突出，无突水危险。

图1 工作面位置

正常情况下，8800综放工作面沿空掘巷留设实体煤柱宽度为20～30m，这造成煤炭资源严重损失，大大降低了矿井回采率。为了提高煤炭资源回采率，实现矿井高产、高效生产，考虑采用沿空掘巷留设小煤柱。当然，8805工作面采空区覆岩运动已趋于稳定，具备沿空掘巷留设小煤柱的地质条件。因此，需对矿井8800综放工作面沿空掘巷留设临空小煤柱尺寸进行系统研究。

2 临空小煤柱合理尺寸确定

通过煤柱承受载荷要小于煤柱极限强度的条件，确定沿空掘巷留设临空小煤柱的合理尺寸。根据关键层理论[8-10]，8800综放工作面顶板岩层运动规律及支承压力分布状态如图2所示，顶板岩层关键岩块B与A、C形成塑性铰接结构。

图2 沿空掘巷留小煤柱应力分布

关键岩块B承载关键岩块A和C的铅直剪力和水平推力、软弱岩块和块体本身自重、采空区矸石支撑力和煤柱支撑力。在这些应力作用下，关键岩块B保持平衡，受力分析如图3所示。图中，RBC为关键岩块C对关键岩块B的铅直剪力；TBC为关键岩块C对关键岩块B的水平推力；RAB为关键岩块A对关键岩块B的铅直剪力；TAB为关键岩块A对关键岩块B的水平推力；FR为软弱岩层的自重合力；FZ为关键岩块B的自重合力；FC为采空区矸石对关键岩块B的支撑力；FM为煤柱对关键岩块B的支撑力。

图3 关键岩块B受力分析

图中EF为关键岩块B的回转轴，关键岩块B平衡时，各力对转轴EF的合力矩为0，即∑MEF=0，则有：

式中，a为关键岩块A、C与关键岩块B的作用位置参数；α为关键岩块B的底角，(°)；fg为单位面积矸石的支撑力，MPa；σy为关键岩块B下方煤柱垂直应力，MPa。

煤柱对关键岩块B的支撑力FM对小煤柱护巷围岩稳定性有重要意义，用式(2)表示：

其中：

式中，x0为基本顶断裂位置距采空区距离，m；Pz为支护结构对煤帮的阻力，MPa；C0为煤体的内聚力，MPa；φ0为煤体的内摩擦角，(°)；L2为关键岩块B沿采空侧断裂跨度，m；A为侧压系数。

根据Bieniawski提出的煤柱强度线性计算方法：

式中，σm取5～8MPa；W为煤柱的宽度，m；h为煤柱的高度，m。

联立式(4)和式(8)得：

结合8800综放工作面实际开采条件，工作面长度为180m，巷道埋深为230m，煤柱高度为3.6m，巷道支护阻力为0.3MPa，煤层内聚力为1.3MPa，内摩擦角为42°，工作面侧压系数A为0.5，x0为基本顶断裂位置距离采空区距离，σm为7MPa，W为煤柱宽度，带入式(9)中，计算得到煤柱宽度应大于5.4m。若要保证8800综放工作面沿空掘进巷道临空小煤柱的稳定性，实际留设临空小煤柱宽度必须大于理论计算结果。因此，沿空掘巷留设小煤柱宽度取7m。

3 临空小煤柱合理尺寸校验

3.1 相似材料模拟实验

相似材料模拟实验可根据工作面实际开采条件对现场进行还原，且相似程度高、周期短、结果直观[11-13]。因此，利用相似材料模拟实验分析8800综放工作面沿空掘巷留设7m小煤柱围岩稳定性。

3.1.1 模型构建

相似材料模拟实验台尺寸为长×宽×高=300cm×30cm×150cm，采用平面应力模型，相似材料模型如图4所示。几何相似比为αl=1∶100，容重相似比为α=1∶1.55，时间比为αt=1∶10。河沙和云母做骨料，新鲜烧透的石灰和石膏做胶结物。根据实验原型煤岩物理力学参数，通过换算和不同配比相似材料力学测试，选定模型相似材料合理配比，具体见表1。各相似材料煤岩层由下向上依次铺装，对上覆未能装填煤岩层采取等效应力载荷加载的方法施加0.029MPa。模型模拟开采5#煤层采高约为10cm，进尺为3cm，开采间隔50min；左端留设20cm煤柱减小边界效应影响，当开采到162cm时停止，待采空区覆岩完全稳定后，留设7cm宽度小煤柱开挖巷道，宽高均为5cm。

图4 相似材料模型

3.1.2 结果分析

厚煤层综放开采沿空掘巷小煤柱是巷道围岩重要组成部分，其稳定性取决于上覆基本顶断裂岩块结构[14]。综放工作面推过，垮落直接顶岩层的碎胀特性填满采空区，限制了破断基本顶岩层下沉；而破断基本顶岩层的剪胀效应增加断裂岩块长度。覆岩整体破断形态呈“梯形”，垮落带及低位裂隙带覆岩活动剧烈，垮落带破断覆岩形成“悬臂梁”结构，低位裂隙带下位破断覆岩形成“铰接岩梁”结构，上位破断覆岩形成多块铰接的“砌体梁”结构，更上位为弯曲下沉带岩层，如图5所示。

综放工作面小煤柱巷道处于煤体与采空区交界处的支承压力降低区，随着煤层采出采场上覆基本顶岩层破断、变形、移动，形成综放工作面临空小煤柱上覆岩层大结构[15]，有效避免采动应力破坏小煤柱结构，保证动压后小煤柱仍具有较高的强度和承载能力，充分利用围岩自稳性质来控制巷道变形，表明8800综放工作面沿空掘巷留设7m小煤柱是可行的，可进行现场应用。

3.2 现场观测试验

巷道表面位移观测能够比较直观反映巷道围岩变形量，有助于评价支护系统的作用[16]。因此，利用JSS30A式收敛计观测8800综放工作面沿空留设7m小煤柱掘进5800巷道采动围岩变形。

表1 相似模拟实验材料配比表

图5 沿空掘巷小煤柱覆岩结构

3.2.1 测点布置

选取8800综放工作面沿空掘进5800巷道3个测点观测断面两帮相对移近量、顶板下沉量，测点1距离5800巷道口150m，测点2距离5800巷道口200m，测点3距离5800巷道口430m，如图6所示。

图6 观测点布置图(m)

3.2.2 观测方法

常规观测时在测点断面顶、底板及两帮各做1个标记为测量基点，顶部基点布置在巷道中心线上，帮部测点布置在巷道腰线位置，4个基点布置在同一断面内，但由于煤巷底鼓严重，且底板基点容易阻碍行人行车，故底板可不设基点，以顶部基点到帮部基点连线的垂直距离作为顶板下沉量，如图7所示。每隔2d观测1次并记录数据。

图7 断面测量基点布置

3.2.3 观测结果

8800综放工作面回采过程中，选取5800巷道变形观测重点时段数据，见表2。3个测点断面均是临近工作面50～60m时变形开始持续增大，工作面推过3个测点，巷道各测点断面两帮最大移近量为0.25m，顶板最大下沉量为0.23m，巷道围岩较稳定，并未出现严重巷道变形。

表2 巷道围岩变形观测数据

4 结 论

1)基于关键层理论，构建8800综放工作面沿空掘巷煤柱顶板关键岩块铰接结构力学模型，分析临空煤柱承载应力，结合Bieniawski提出的煤柱强度线性计算方法，确定沿空掘巷留设小煤柱的合理尺寸为7m。

2)相似实验模拟表明沿空掘巷留设7m小煤柱使巷道处于煤体与采空区交界处的支承压力降低区，上覆岩层能够形成承载结构有效维护巷道围岩的稳定性，表明留设7m小煤柱尺寸是可行的，可进行现场应用。

3)开展5800巷道表面位移现场观测试验，工作面回采期间两帮移近量均为0.25m，顶板下沉量为0.23m，并未出现严重变形，进一步验证了沿空掘巷留设7m小煤柱尺寸的可行性。