千米深井沿空掘巷區段煤柱合理寬度的研究

聶鳳祥 劉純文

（新汶礦業集團公司潘西煤礦，山東 萊蕪 271107）

潘西煤礦6197工作面與6198工作面的合理區段煤柱寬度設計問題是關系到沖擊地壓、瓦斯異常、底板突水、煤層自燃等災害防治的綜合性課題。6198面埋深大，煤層強度低，單軸抗壓強度僅有2.2MPa，屬極軟煤層。現有工作面煤柱寬度設計大多采用70m的寬煤柱，浪費了大量的煤炭資源。通過對6198上巷巷道區段煤柱寬度的研究，提出了合理寬度設計。

1 概況

潘西礦具有采深大、煤層軟、沖擊危險性大，局部瓦斯異常的特點，6198工作面位于-740m水平后六采區，南部為6197工作面采空區，工作面平均埋深1002.6m。19煤層平均厚度2.5m，基本頂為中砂巖，厚19m；直接為頂粉砂巖，厚6.5m；直接底為砂質粘土巖，厚3.6m；基本底為細砂巖灰色，厚14m。在這種復雜條件下進行開采，區段煤柱寬度的設計必須考慮防沖的需要，還需考慮防火、防水、防瓦斯的需要。

2 頂板運動規律分析

2.1 直接頂巖層的運動規律

（1）直接頂初次垮落時的厚度

式中：

L-直接頂巖層初次垮落步距，m；

M-直接頂分開運動的巖層厚度，m ；

式中：

MZ-直接頂厚度，m；

H-采高，2.5m；

SA-沉降量，取SA=0.3；

KA-巖層的碎脹系數，取KA=1.35。

6198工作面直接頂垮落厚度為5m。

（2）直接頂垮落步距計算

α-煤層傾角，（°）。

計算得到，初次垮落步距L=16.2m。

初次垮落步距有一個誤差波動范圍。當L＜35m，波動值為±4m。L=（16.2±4）m；平均垮落步距為16.2m。

2.2 基本頂運動規律預計

（1）基本頂的厚度

基本頂的位置在約6～8倍采高的范圍內，即約在15～20m的高度范圍以內，對照柱狀圖可以確定，基本頂厚度為ME=19.0m。垮落方式為分層垮落。

（2）基本頂初次來壓步距

考慮到巖石強度的變化和波動，預計基本頂初次斷裂步距在36.7±6m之間。

（3）基本頂周期來壓步距

一般為初次來壓步距的1/2.5～1/3之間。即為12.2～14.7m。

2.3 工作面支承壓力

（1）直接頂初次垮落期間的最大頂板壓力

式中：

γZ-直接頂的容重，取2.4t/m3；

LZ-直接頂初次垮落步距，16.2m；

Lk-控頂距（按頂梁長度），取6m。

代入數據得：A=14.3t/m2。

正常推進階段直接頂壓力A=MZ·γZ； 得A=10.6t/m2

（2）基本頂的壓力

初次來壓期間的頂板壓力，按照防止切頂的原則計算壓力，則：

式中：

ME-基本頂厚度，m；

γE-容重，取2.4t/m3；

L-來壓步距，36.7m；

KT—巖重分配系數，KT的選取見表1所示。

得N=6.5/3=2.2，KT=2N=4.4。

表1 KT選取

代入數據得：

基本頂周期來壓的頂板壓力，按照防止第一巖梁在煤壁切落的原則計算。

式中：

C-周期來壓步距，m。

代入數據得：

3 工作面回采側向巖層結構特征

（1）實體煤側向巖層結構

6198工作面上覆巖層直接頂為6.5m厚粉砂巖，基本頂為19m厚中砂巖。參照6197工作面開采過程中實測的礦壓數據，基本頂初次來壓步距為32m左右，周期來壓步距為13m左右，與理論計算的6198工作面的來壓數據比較吻合。

側向巖層結構特征是確定護巷煤柱寬度及沿空巷道支護設計的基礎。6197工作面煤層平均厚度2.5m，一次采全高，6.5m厚的粉砂巖直接頂隨采隨冒，基本填滿采空區，順槽寬3.4m，高3.2m，其側向巖層結構如圖1所示。

圖1 側向巖層結構

（2）沿空側側向巖層結構

受沿空順槽掘進影響及沿空工作面回采超前影響，工作面側向巖層結構發生變化，主要表現在：

① 巖層運動范圍擴大，側向巖層斷裂線向煤體深部偏移；

② 煤柱受頂板斷裂結構塊回轉影響，產生大變形，處于給定位移狀態；

③ 沿空順槽實體幫一定寬度處于屈服狀態，沿垂直方向處于給定位移狀態。此時工作面側向巖層結構如圖2所示。

4 工作面區段煤柱合理寬度

4.1 工作面礦壓觀測

巷道表面位移觀測。在6197工作面上、下順槽各設置2處測線，每條測線進行頂底板移近量和兩幫移近量的觀測。在測線巷道兩側和頂底板設置基點，每天測量頂底板移近量和兩幫移近量。自5月24日至7月14號，分別對6197上、下兩巷進行了連續觀測，測得工作面超前影響距離大于120m，工作面超前劇烈影響范圍為47m，工作面周期來壓步距為12～14m。

4.2 側向支承壓力的鉆孔應力監測

在6197工作面上、下兩巷布置鉆孔應力計，實時監測工作面推采過程中側向支承壓力的變化規律，如圖3所示。

圖2 沿空面側向巖層結構

圖3 鉆孔應力計監測方案

自05月23日至7月19號，分別對6197下巷進行了連續觀測，測得側向支承壓力峰值約為9m位置，側向低應力區范圍約為5m。

4.3 區段煤柱合理寬度的確定

從控制次生災害角度出發，煤柱寬度應大于3m；從錨桿支護 (錨桿長度2.2～2.4m)有效性角度出發，煤柱寬度應不小于5.0m；從沖擊地壓防治角度出發，沿空巷道實體幫的卸壓區寬度應不小于10m，加上沿空巷道寬3.4m，則區段煤柱寬度應不大于8.1m。綜合分析認為，合理的區段煤柱寬度為5.0～8.1m。結合鉆孔應力實測結果，區段煤柱寬度選擇6m為宜。

4.4 泄水巷影響下的合理區段煤柱寬度

6197工作面運輸巷外側有一條泄水巷，其布置是根據最小流水梯度角設計的，因走向方向彎曲復雜，導致其與6197工作面的煤柱寬度不均一。最大煤柱寬度45m，最小寬度僅6.8m。

4.5 采空區側向支承壓力計算

由于表土層較薄，基巖厚度相對較大，取巖層移動角α約為80°。由于后六采區先后開采了6196面、6197工作面，經地表巖移觀測分析19煤層開采后對地表地形影響較小，為非充分采動，可以將6196、6197兩個工作面采空區合并計算側向支承壓力。取6196、6197工作面采空區平均傾斜長度為380m，平均采深為820m，通過計算，得到6196、6197采空區一側煤體的側向支承壓力峰值位置距采空區約98m，支承壓力峰值約為67.62MPa；距采空區0～33m為低應力區；距采空區33m～196m為支承壓力影響區；距采空區196m以外為原巖應力區（如圖4）。

6198工作面位于6197工作面下部，煤層的平均傾角為28°，巖層在傾向分力的作用下向下方滑移，6198工作面開采后對上區段的影響范圍增大。6198工作面基本頂中心距煤層16m，故應力分量在煤層方向轉移距為l=16×tan28°=8.5m，則OA=33+8.5=41.5m。

圖4 采空區側向支承壓力曲線

4.6 泄水巷外側合理區段煤柱寬度

根據上述理論計算，合理的區段煤柱寬度宜選擇在OA段，即41.5m以內。此外，6197泄水巷也會對6198上巷的位置形成一定影響，一般而言，4m寬的巷道開掘后，其側向支承壓力劇烈影響區約為3～4倍巷寬，即12～16m，取平均值14m，因此，6198上巷與泄水巷距離必須大于14m。

5 結論

（1）通過理論和實測兩種方法對工作面開采過程中頂板運動規律和運動特征進行了研究，得到工作面初次來壓、周期來壓的參數。

（2）將避開側向支承壓力峰值影響、隔離采空區分別作為確定區段煤柱寬度上、下限的依據，采用理論計算、現場實測、工程類別、數值計算等方法確定了6198上區段煤柱合理寬度為5～8.1m，以6m為優選方案，泄水巷外煤柱寬度14m為優選方案。

（3）合理設計留設區段煤柱既有利于施工巷道穩定，有利于沖擊地壓、水害以及次生災害控制，也最大限度地提高資源回收，沿空巷道布置在低應力區，以小煤柱與采空區隔離最為有利。