煤礦工作面切眼保護煤柱寬度合理留設研究

韓桂奇

摘要：黃陵二號煤礦412工作面為瓦斯、油、氣共生的區域，解決工作面切眼長期留巷的問題已刻不容緩。文章通過對工作面切眼留設保護煤柱尺寸影響因素的分析，根據現有的經驗，結合地質采礦條件，為保護煤柱的留設提供理論基礎，給出了切眼保護煤柱的留設方案。

關鍵詞：煤礦工作面;切眼;保護煤柱;采場應力分布;極限平衡理論 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD822 文章編號：1009-2374（2016）04-0150-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.075

黃陵二號煤礦412工作面為瓦斯、油、氣共生的區域，為了達到“掘、抽、采”平衡，需要對工作面進行至少一年的預抽，而412工作面切眼緊靠二盤區201工作面采空區，切眼斷面大，受201采空區礦壓影響明顯。因此解決工作面切眼長期留巷的問題，保證礦井的安全生產，已刻不容緩。

1 概況

1.1 工作面概況

412工作面位于二號井田四盤區右翼，其西部與北二開拓大巷相鄰，東部為二盤區201工作面采空區，臨近采區均為一次采全高綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板。412工作面巷道走向長度2600m，工作面長度279m。412工作面于2014年5月形成，根據“掘、抽、采”要求，計劃于2015年6月進行回采。201工作面于2013年11月推采過412工作面切眼位置，采空區上覆巖層尚未達到穩定狀態。

1.2 地質采礦條件

1.2.1 煤層情況。屬侏羅系中統延安組，煤層為2#煤層。煤層為黑色，弱瀝青光澤，半暗-半亮型，條帶狀結構，層狀構造，內生裂隙發育。根據臨近鉆孔R53（5.05m）資料，煤層厚度為5.0～5.5m。上覆巖層厚度為550～600m。根據煤層底板等高線，煤層傾角為1.7°～3°，煤層硬度f=4。

1.2.2 煤層頂底板情況。煤層直接頂板為黑灰粉砂巖和深灰色細粒砂巖，泥巖質水平狀層理、微波狀層理，底部有黃鐵礦薄膜，厚度為2～8m。煤層直接底板為灰黑色泥巖，團塊狀，含炭屑，具滑面易破碎，厚度為1.5～2.0m。

1.2.3 水文地質。直接充水含水層為侏羅系中統延安組（J2Y）煤層裂隙水和砂巖裂隙地下水，該層富水性較弱，局部會出現砂巖裂隙水。

2 留設保護煤柱尺寸的影響因素

2.1 上覆巖層巖性

上覆巖層的力學性質是影響留設保護煤柱寬度的主要因素。煤層頂底板巖性不僅影響到煤柱的應力狀態和應力環境，而且對煤柱的強度有影響。一般說來，上覆巖層為硬巖層時較軟巖層所需留設的保護煤柱寬度小。

2.2 煤柱強度

煤柱強度反映了煤柱支撐上覆巖層的承載能力。煤柱強度不僅與煤柱的力學性質、煤柱內的弱面、頂底板巖性和煤柱側向應力等因素有關，而且與煤柱的長度、寬度和高度等因素有密切關系。

2.3 開采深度

在相同的地質、采礦條件下，應力極限平衡區寬度隨著回采深度H的增大而增長。

2.4 開采厚度

開采厚度對上覆巖層有重要的影響，采厚越大，上覆巖層移動過程劇烈，移動范圍增大，則保護煤柱尺寸就越大。

2.5 煤層傾角

煤層傾角不同，上覆巖層移動形式、破壞發展過程、破壞影響分布狀態等特征也會不同，煤層傾角將會影響到保護煤柱的受力狀態和應力集中程度，隨著煤層傾角的增大，所需留設的保護煤柱寬度也相應增加。

3 保護煤柱留設的理論基礎

根據礦山壓力與巖層控制理論，工作面回采后，將對采空區邊緣形成側向支承壓力，采空區邊緣煤體形成破碎區和塑性區，承載能力降低。當煤柱寬度較小時，留設的煤柱基本被壓縮，煤柱內荷載較小，應力向實體煤一側轉移;當煤柱寬度較大時，上覆巖層應力逐漸向煤柱上轉移，煤柱中所承擔的支撐壓力增大。隨著保護煤柱寬度的增大，煤柱中的最大垂直應力由小變大，然后再變小，而隨煤柱寬度的增加，煤柱承載能力逐漸提高，工作面巷幫實體煤內的應力呈現逐漸向煤柱轉移的趨勢。當煤柱寬度達到一定值時，煤柱內應力達到峰值，這時煤柱承受著較大的上覆巖層載荷;隨著煤柱寬度進一步增大，煤柱內的應力又呈現出下降的趨勢，此時煤柱自身已經能夠承擔起上覆巖層的應力，煤柱起主要承載作用。因此巷道盡量選擇在應力底或圍巖穩定的煤層中，即處于201采空區的應力降低區，減小對切眼破壞。

Ⅰ—破裂區;Ⅱ—塑性區;Ⅲ—彈性區

4 二號煤礦現有技術成果及經驗

第一，當采煤工作面推采距測點斷面90m時，測值出現變化，表明工作面開采已對巷道穩定產生影響，引起頂板巖層中的應力再次重分布。當工作面推采距離到達約50m時，監測值出現明顯增加。原410工作面采空區距201回風巷為55m，201回風巷受410工作面采動影響，巷道變形嚴重，甚至出現了局部冒頂。可見試驗結果與實際基本一致。

第二，采空區側塑性區寬度范圍約為4m，巷道側塑性區范圍為2m。目前巷道保護煤柱寬度留設為35m，受二次采動影響，巷道原支護強度無法發揮圍巖的自身承載能力，巷道變形嚴重，維護極其困難。

第三，二號煤礦煤巖參數見表1：

5 保護煤柱留設的計算

根據大采高回采巷道采場周圍支承壓力分布規律，影響范圍最大可達60～80m。根據極限平衡理論，即護巷保護煤柱寬度必須保證煤柱的極限載荷σ不超過它的極限強度R。由以下公式：

γ——上覆巖層平均體積力，kN/m?（取25kN/m?）

D——采空區寬度，m（取280m）

δ——采空區上覆巖層垮落角（取40°）

由以上得：B≥70.5m。煤柱的安全系數取1.4，則B=98.7m。根據以上理論計算，412工作面切眼距201采空區留設100m凈煤柱較合適。

6 切眼施工方案及斷面支護設計的選擇

考慮到412工作面切眼放置時間較長，為了減小受201工作面采動影響，工作面切眼采用分兩次成巷方式，靠采空區側施工4m導硐，合理調整切眼擴刷時間，減少切眼大斷面放置時間，根據生產接續安排，設備安裝前再進行擴刷。由于切眼暫時只施工切眼導硐，為滿足通風要求，切眼導硐斷面選擇為4000mm×3800mm，斷面支護為錨網索支護。導硐頂板采用Φ22mm×2800mm左旋螺紋鋼錨桿配合鋼筋托梁壓網支護，頂板錨索采用“3-2-3”布置，采用規格為Φ21.8mm～12300mm防腐錨索，錨索排距為800mm;導硐靠采空區側幫部采用Φ22mm×2800mm金屬錨桿下壓鋼筋托梁掛復合網支護，靠采面幫部采用Φ22mm×2600mm樹脂錨桿加設木托板掛復合網支護。第二次擴刷為4.6m的斷面，擴刷斷面頂板采用Φ22×2800mm左旋螺紋鋼錨桿配合鋼筋托梁壓網支護，頂板錨索采用“4-2-4”布置，幫部采用Φ22mm×2600mm樹脂錨桿加設木托板支護。見斷面設計圖：

7 結語

412切眼導硐施工完成后，對巷道圍巖位移變化進行了設點監測，經過6個月的對巷道頂板下沉量、底板底鼓量和巷道兩幫收斂移近量的觀測記錄，除巷道底板出現220mm的底鼓量，其余與順槽掘進期間礦壓觀測值幾乎相同。412切眼保護煤柱的留設較合理，為后期四盤區工作面走向長度的確定提供了理論基礎和實踐指導。

參考文獻

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（責任編輯：蔣建華）