厚煤層綜采放頂煤工藝區(qū)段煤柱采用小煤柱技術(shù)創(chuàng)新

王剛

近年來，沿空掘巷技術(shù)開始在全國范圍內(nèi)大面積推廣應(yīng)用。大多數(shù)是在中厚煤層中留設(shè)區(qū)段小煤柱進行沿空掘巷，工作面采放高度一般小于 6m，礦山壓力顯現(xiàn)較平穩(wěn)。硯北煤礦為強烈礦壓顯現(xiàn)礦井，采煤方法為特厚煤層分層綜放開采。在該礦條件下特厚煤層分層綜放開采留設(shè)小煤柱沿空掘巷技術(shù)的試驗成功，將開創(chuàng)特厚易燃煤層、分層綜放開采條件下沿空掘巷技術(shù)的先例，將給周邊礦井同類條件下的巷道布置和采掘技術(shù)帶來新的活力和革新，極大地提高資源回收率，減小礦山壓力對礦井安全生產(chǎn)的影響。

一、工作面情況

硯北煤礦現(xiàn)開采 5# 煤層，最大開采深度 800m 左右。5#煤為特厚煤層，平均厚度為 37. 5m，煤層傾角 0°～ 9°，煤層具有強沖擊地壓傾向性。采區(qū)煤巖綜合柱狀圖如圖 1所示。

試驗地點選在硯北煤礦 250206 上工作面運輸巷。250206 上工作面傾向長 200m，走向長 2000m，工作面采用綜采放頂煤開采。250206 上工作面運輸巷位于 5# 煤層中部，其頂部為 10m 左右的頂煤，底部為 10m 多的底煤； 東部是 250205 上工作面，中間留 7. 6m 小煤柱，西部是實體煤。工作面標高為 + 1039 ～ + 1157m，運輸巷埋深為 410m。工作面布置示意圖如圖 2 所示。

二、 煤柱寬度理論計算

護巷煤柱在受工作面回采影響時能保持穩(wěn)定的最小尺寸為區(qū)段煤柱的合理留設(shè)尺寸。要保持煤柱穩(wěn)定則需滿足的基本條件是： 留設(shè)煤柱本身的極限抗壓強度大于工作面采動引起的超前側(cè)向支承壓力峰值，控制向煤柱深部發(fā)展的巷道裂隙不與采空區(qū)裂隙貫通，即： 區(qū)段煤柱中保持一定寬度的彈性區(qū)域。煤柱極限強度采用式（1） 計算：

式中，k 為應(yīng)力集中系數(shù)； γ 為巖層平均容重，MN /m3 ； H 為巷道埋深，m； η 為煤巖流變系數(shù)； σc 為煤巖試塊的單軸抗壓強度，MPa。以煤巷兩幫應(yīng)力和極限平衡理論為依據(jù)，結(jié)合圖 3得出合理的最小區(qū)段煤柱寬度是：

式中，B 為區(qū)段煤柱寬度，m； x1 為煤柱在采空區(qū)一側(cè)的塑性區(qū)寬度，m； x2 為錨桿錨入煤柱的深度，m， x3為安全系數(shù)，x3 = （0. 15 ～ 0. 35）（x1+ x2）；m為煤層厚度，m；A為側(cè)壓系數(shù)；C0和Φ0分別為煤層的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角；Px為巷幫的支護強度，MPa。

根據(jù)硯北煤礦5# 煤層的賦存特點及煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)和強度指標測試結(jié)果，區(qū)段煤柱寬度計算所需各參數(shù)的選取見表 1，將表 1 中各參數(shù)值代入式（1）～ 式（3） ，計算得區(qū)段煤柱寬度 B = 7. 19m。

三、數(shù)值模擬分析

以硯北煤礦煤巖層物理力學(xué)參數(shù)及煤層柱狀圖為依據(jù)，建立 FLAC3D 數(shù)值模擬模型，參數(shù)選取參照表 2。為詳細分析不同寬度區(qū)段煤柱情況下煤巖受力變形情況，選取留設(shè)煤柱寬度為 3m、5m、10m、15m、30m 五種方式，分別模擬計算。

煤柱側(cè)的側(cè)向支承壓力分布情況如圖 4 所示；煤柱寬度與巷道圍巖變形的關(guān)系如圖 5 所示。分析圖 5 可知： 煤柱寬 30m 時，采動后巷道頂板下沉量為67mm，兩幫移近量為 129mm；煤柱寬 15m 時，頂板下沉量較煤柱寬 30m 時增加 57mm，兩幫移近量增加141mm；煤柱寬 10m 時，頂板下沉量較煤柱寬 15m 時增加8mm，變化不大，兩幫移近量增加 64mm，其中，煤柱側(cè)幫位移增加 52mm，煤柱的剪切破壞深度達 3m； 可見，隨著煤柱尺寸越小，巷道變形量越大。僅留設(shè) 5m 寬煤柱時，巷道頂板下沉量較煤柱寬 10m 時減少 44mm，兩幫移近量增加36mm，煤柱內(nèi)全部發(fā)生剪切破壞。分析上述模擬結(jié)果，可得出留設(shè) 10m左右的煤柱是比較合理的。綜合分析理論計算結(jié)果、數(shù)值模擬計算結(jié)果及綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)情況得出：煤柱合理留設(shè)寬度確定為7. 6m。

四、現(xiàn)場觀測分析

250206 上工作面運輸巷與 205205 上工作面間按 7. 6m留設(shè)區(qū)段煤柱，并采用合理支護參數(shù)支護巷道。受相鄰采空區(qū)影響，巷道煤柱側(cè)幫側(cè)壓較大，但煤層頂板比較完整，巷道變形不明顯。

在工作面巷道內(nèi)安設(shè)測站，共設(shè) 7 個測站。測站包括兩個巷道表面位移監(jiān)測斷面，一個錨桿受力監(jiān)測斷面，兩個錨索受力監(jiān)測斷面。綜合整理分析觀測數(shù)據(jù)繪出了煤柱應(yīng)力的變化曲線，煤柱應(yīng)力變化呈現(xiàn)如下特點：（1）區(qū)段小煤柱內(nèi)存在一個位置不變的應(yīng)力峰值區(qū)，該峰值區(qū)距采空區(qū)側(cè)煤壁 3～ 4m。工作面推進過程中，峰值點右側(cè) 2m 范圍內(nèi)應(yīng)力逐漸升高，達到最大值后下降。說明該區(qū)域內(nèi)的煤體發(fā)生了從彈性變形向塑性變形的轉(zhuǎn)變。（2）區(qū)段小煤柱應(yīng)力峰值區(qū)兩側(cè)應(yīng)力迅速降低，且峰值區(qū)右側(cè)應(yīng)力值基本保持不變。說明上區(qū)段采空區(qū)上覆巖層運動對區(qū)段煤柱的影響已經(jīng)基本結(jié)束。（3）峰值區(qū)左側(cè)煤柱應(yīng)力明顯高于峰值區(qū)右側(cè)煤柱應(yīng)力。說明由于采用合理的支護形式和支護參數(shù)，提高了煤體的強度，使煤柱保持較高的承載能力。

五、結(jié)束語

分析了沿空掘巷巷道所處位置應(yīng)力場的特征和煤柱與巷道圍巖的結(jié)構(gòu)關(guān)系，說明了特厚煤層分層綜放開采留小煤柱護巷是可行的。通過對留設(shè)不同寬度護巷煤柱下巷道應(yīng)力和變形的計算機數(shù)值模擬分析得出： 煤柱在巷道掘進和回采期間都是主要的承載體。通過對現(xiàn)場實測的分析得到：①煤柱側(cè)向應(yīng)力最大值位于距采空區(qū)側(cè)煤壁 3 ～ 4m 范圍內(nèi)；②煤柱應(yīng)力峰值區(qū)左側(cè)煤柱應(yīng)力明顯高于峰值區(qū)右側(cè)煤柱應(yīng)力，說明由于采用合理的支護形式和支護參數(shù)，提高了煤體的強度，使煤柱保持較高的承載能力。 計算機數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相符性較好，說明了此種確定護巷煤柱寬度方法是合理可行的。區(qū)段小煤柱寬度在 6～ 8m 之間時，其中部存在一定范圍的彈性區(qū)域，因此，適合硯北煤礦條件的合理區(qū)段煤柱留設(shè)寬度應(yīng)為 6 ～ 8m。

（作者單位：銅川西川礦業(yè)有限公司）