厚煤層綜采放頂煤工藝區段煤柱采用小煤柱技術創新

王剛

近年來，沿空掘巷技術開始在全國范圍內大面積推廣應用。大多數是在中厚煤層中留設區段小煤柱進行沿空掘巷，工作面采放高度一般小于 6m，礦山壓力顯現較平穩。硯北煤礦為強烈礦壓顯現礦井，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小煤柱沿空掘巷技術的試驗成功，將開創特厚易燃煤層、分層綜放開采條件下沿空掘巷技術的先例，將給周邊礦井同類條件下的巷道布置和采掘技術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的影響。

一、工作面情況

硯北煤礦現開采 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定的最小尺寸為區段煤柱的合理留設尺寸。要保持煤柱穩定則需滿足的基本條件是： 留設煤柱本身的極限抗壓強度大于工作面采動引起的超前側向支承壓力峰值，控制向煤柱深部發展的巷道裂隙不與采空區裂隙貫通，即： 區段煤柱中保持一定寬度的彈性區域。煤柱極限強度采用式（1） 計算：

式中，k 為應力集中系數； 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； σc 為煤巖試塊的單軸抗壓強度，MPa。以煤巷兩幫應力和極限平衡理論為依據，結合圖 3得出合理的最小區段煤柱寬度是：

式中，B 為區段煤柱寬度，m； x1 為煤柱在采空區一側的塑性區寬度，m； x2 為錨桿錨入煤柱的深度，m， x3為安全系數，x3 = （0. 15 ～ 0. 35）（x1+ x2）；m為煤層厚度，m；A為側壓系數；C0和Φ0分別為煤層的內聚力和內摩擦角；Px為巷幫的支護強度，MPa。

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

三、數值模擬分析

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

煤柱側的側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 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，煤柱內全部發生剪切破壞。分析上述模擬結果，可得出留設 10m左右的煤柱是比較合理的。綜合分析理論計算結果、數值模擬計算結果及綜放工作面的礦壓顯現情況得出：煤柱合理留設寬度確定為7. 6m。

四、現場觀測分析

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

在工作面巷道內安設測站，共設 7 個測站。測站包括兩個巷道表面位移監測斷面，一個錨桿受力監測斷面，兩個錨索受力監測斷面。綜合整理分析觀測數據繪出了煤柱應力的變化曲線，煤柱應力變化呈現如下特點：（1）區段小煤柱內存在一個位置不變的應力峰值區，該峰值區距采空區側煤壁 3～ 4m。工作面推進過程中，峰值點右側 2m 范圍內應力逐漸升高，達到最大值后下降。說明該區域內的煤體發生了從彈性變形向塑性變形的轉變。（2）區段小煤柱應力峰值區兩側應力迅速降低，且峰值區右側應力值基本保持不變。說明上區段采空區上覆巖層運動對區段煤柱的影響已經基本結束。（3）峰值區左側煤柱應力明顯高于峰值區右側煤柱應力。說明由于采用合理的支護形式和支護參數，提高了煤體的強度，使煤柱保持較高的承載能力。

五、結束語

分析了沿空掘巷巷道所處位置應力場的特征和煤柱與巷道圍巖的結構關系，說明了特厚煤層分層綜放開采留小煤柱護巷是可行的。通過對留設不同寬度護巷煤柱下巷道應力和變形的計算機數值模擬分析得出： 煤柱在巷道掘進和回采期間都是主要的承載體。通過對現場實測的分析得到：①煤柱側向應力最大值位于距采空區側煤壁 3 ～ 4m 范圍內；②煤柱應力峰值區左側煤柱應力明顯高于峰值區右側煤柱應力，說明由于采用合理的支護形式和支護參數，提高了煤體的強度，使煤柱保持較高的承載能力。 計算機數值模擬與現場實測相符性較好，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域，因此，適合硯北煤礦條件的合理區段煤柱留設寬度應為 6 ～ 8m。

（作者單位：銅川西川礦業有限公司）