孤島條帶工作面的煤柱合理留設(shè)

邱運(yùn)來

（漢諾聯(lián)合集團(tuán)有限公司,山東 滕州 277110）

1 概況

我公司井田地處平原地區(qū)，地面村莊稠密，為了保護(hù)地面村莊及其他設(shè)施的安全，采用條帶開采方法。在村莊搬遷完畢以后，剩余的工作面均為孤島工作面。以3307綜采工作面為例，3307綜采工作面上、下的3305、3309工作面開采后，成為孤島工作面。3307面煤厚度平均3.6m，煤層傾角平均8°，煤層埋深為-660m--690m。

2 合理煤柱留設(shè)分析

2.1 煤柱穩(wěn)定性分區(qū)

煤炭開采過程中，由于斷層、構(gòu)造及邊界隔離等因素的影響，或多或少會留有一些保護(hù)煤柱，如斷層保護(hù)煤柱、大巷之間煤柱、工作面停采線保護(hù)煤柱等。煤柱的合理留取，尤其是煤柱的寬度對巷道的穩(wěn)定性和提高煤炭回收率具有重要意義。

在回采或掘進(jìn)巷道時(shí)，在煤柱邊緣會出現(xiàn)數(shù)倍的應(yīng)力集中，而在邊緣處，煤柱抗壓強(qiáng)度一般較低，使得邊緣部分遭到不同程度的破壞，集中應(yīng)力向煤柱深部轉(zhuǎn)移，當(dāng)煤柱的承載強(qiáng)度與支承壓力達(dá)到極限平衡時(shí)，煤柱才處于穩(wěn)定狀態(tài)，該狀態(tài)可分為3個(gè)區(qū)：Ⅰ為破裂區(qū)，也稱卸載區(qū)；Ⅱ?yàn)閼?yīng)力增高區(qū)，承受高于原巖應(yīng)力的荷載，Ⅰ和Ⅱ區(qū)統(tǒng)稱為塑性區(qū)；Ⅲ為彈性區(qū)。

2.2 煤柱破壞顯現(xiàn)類型

煤柱破壞顯現(xiàn)類型分兩大類：一類是動(dòng)壓型，煤柱及巷道上覆巖層正處于劇烈運(yùn)動(dòng)和破壞階段，如：工作面采動(dòng)和巷道掘進(jìn)造成的擾動(dòng)；另一類是靜壓型，煤柱及其巷道尚未受采掘影響或采掘影響已停息，上覆巖層處于穩(wěn)定狀態(tài)。

煤柱巷道破壞類型可歸納為4種形式：明顯的移近量、斷面縮小但不冒落；隨斷面縮變發(fā)生冒落；無移近量而冒落；煤柱表層爆裂。

2.3 影響煤柱留設(shè)因素

煤柱留設(shè)寬度主要受煤柱周圍巖性（即煤柱所處層位）、煤柱所處深度、采動(dòng)（構(gòu)造）應(yīng)力、水和煤柱巷道形狀的影響。

（1）巖性（層位）對煤柱寬度影響。巖性影響系數(shù)（a）對煤柱寬度（Lm）的影響主要分為兩個(gè)階段，a＜0.5時(shí)，煤柱寬度隨巖性影響系數(shù)基本呈慢速線性增長；當(dāng)0.5≤a≤0.6時(shí)，增長率開始增加，煤柱寬度隨巖性影響系數(shù)開始加快；當(dāng)a＞0.6.時(shí)，增長率增加迅速，煤柱寬度隨巖性影響系數(shù)增加很快。巖性影響系數(shù)從0.4增長到0.5，煤柱寬度只增長了8m左右，而巖性影響系數(shù)從0.5增長到0.6，煤柱寬度增長了15m左右；從0.6增長到0.7，煤柱寬度增長了25m左右。

（2） 埋深對煤柱寬度影響。煤柱埋深對煤柱留設(shè)寬度是一個(gè)恒定存在影響的重要因素。圖為采深對煤柱寬度影響。圖為埋深對煤柱寬度的影響。

埋深對煤柱寬度的影響

（3）采動(dòng)（構(gòu)造）應(yīng)力對煤柱寬度影響。超前支承壓力影響范圍為20m時(shí)，煤柱寬度為32m左右，增加12m，支壓穩(wěn)定系數(shù)為0.60左右；當(dāng)超前支承壓力影響范圍為80m時(shí)，煤柱寬度為97m左右，增加17m，支壓穩(wěn)定系數(shù)為0.21左右；當(dāng)超前支承壓力影響范圍為120m時(shí)，煤柱寬度為139m左右，增加19m，支壓穩(wěn)定系數(shù)為0.16左右。

（4）煤柱巷道形狀對煤柱寬度影響。以上拱下矩形巷道煤柱寬度為基準(zhǔn)，矩形或梯形巷道煤柱比上拱下矩形巷道煤柱要寬，并且隨著煤柱寬度增加，系數(shù)（c）不斷減小，但是實(shí)際增加寬度逐漸增大。

3 數(shù)值模擬研究

采用留設(shè)極限煤柱的方式進(jìn)行小煤柱工作面的留設(shè)，既可以保證煤柱寬度達(dá)到巷道支護(hù)要求；又可以釋放煤炭資源，提高產(chǎn)量。

分析工作面支承壓力峰值位置、小煤柱寬度和巷道寬度情況可知，當(dāng)煤柱為3m及以下時(shí)，巷道范圍內(nèi)應(yīng)力較小（基本小于原始應(yīng)力），巷道受壓不大，沖擊地壓危險(xiǎn)性小；但是煤柱煤壁破壞范圍為2m左右，煤柱基本全部破壞，極不穩(wěn)定，支護(hù)困難，甚至無法支護(hù)。因此3m煤柱不合理。

當(dāng)煤柱為5m及以上時(shí)，部分甚至全部巷道處于遠(yuǎn)大于原始應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)域，巷道壓力大，沖擊地壓危險(xiǎn)性高。因此5m煤柱不合理。當(dāng)煤柱為4m左右時(shí)，巷道基本處于原始應(yīng)力大小（范圍約為原始應(yīng)力場的0.8-1.3倍）的應(yīng)力區(qū)域，巷道受壓小，沖擊地壓危險(xiǎn)性低，且煤柱存在一定的完整煤體，有利于進(jìn)行支護(hù)。因此4m煤柱應(yīng)為合理極限煤柱。

最終研究分析確定4m為小煤柱留設(shè)寬度，4m煤柱為合理極限煤柱。

4 巷道礦壓觀測分析

4.1 觀測方法和參數(shù)

在3307工作面軌道順槽和皮帶順槽分別布置十字布樁觀測巷道圍巖變形。在軌道、皮帶順槽每隔100m左右設(shè)置一組“十字布樁”巷道圍巖變形觀測點(diǎn)，軌道順槽共11組，皮帶順槽8組，每10天觀測一次，設(shè)專人定期收集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，觀測巷道變形規(guī)律。同時(shí)，巷道每200m設(shè)一個(gè)頂板離層儀，觀測巷道頂板離層情況。

4.2 觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

經(jīng)過接近5個(gè)月的觀測，得到3307軌順巷道和皮順巷道的水平和垂直位移變化曲線、頂板離層曲線。

從巷道移近量和頂板離層情況看出，3307軌順最大水平移近量87mm，最大垂直移近量69mm，離層量3.8mm；3307皮順最大水平移近量81mm，最大垂直移近量69mm，離層量5.4mm。均達(dá)到了良好的支護(hù)效果。4m煤柱的留設(shè)滿足現(xiàn)場需要，為最佳極限煤柱。