不同房采區煤柱對下覆綜采工作面頂板控制影響分析

孫志剛

（汾西礦業集團水峪煤業， 山西 孝義 032300）

1 工作面開采條件

1.1 開采地質條件

22202工作面為某礦區22煤二盤區已回采的大采高綜采工作面，煤層厚度3.7～4.3m，平均煤厚3.95m，厚度穩定，結構簡單，平均埋深約65 m，煤層傾角1～3°。工作面松散層平均厚度約12 m，基巖平均厚度50 m，所以松散層較薄，基巖較厚。22202工作面開采區域正上方為12煤房采采空區，煤柱基本未垮落，該房采區采用連采房柱式采煤工藝，房采采高達到7～7.5 m，采硐寬度5 m，煤柱7 m。采空區總面積為11.63萬m2，占22202綜采面回采面積的60%左右。12煤與22煤層間距25.8～30.37 m；在回順14聯行靠近22煤火燒邊界頂幫煤層局部松散變軟。煤層瓦斯含量低，屬二氧化碳、氮氣帶，煤塵具有爆炸性，屬于易自燃煤層，最短發火期30 d，無地溫異常。

1.2 工作面頂底板情況（見表1）

表1 22202綜采工作面煤層頂底板情況

1.3 工作面布置和開采區域劃分

1.3.1 工作面布置

22202工作面東側為22400工作面，西側為22201工作面（已回采）；南側為22煤主斜井，北側靠近22煤火燒邊界；回采面上覆為原12煤房采區。工作面沿煤層走向布置，走向長度579.4 m，傾斜長度315.6 m，面積18.11萬m2[1]。

1.3.2 開采區域劃分

根據22202工作面上方采空區煤柱的特點，將工作面面長方向劃分為5個監測區，各區尺寸和煤柱尺寸如下：

1）機頭房采巷道區：長530 m，寬50 m，面積約26500 m2，上方1-2煤煤柱20 m×20 m。

2）房采小煤柱區：長477 m，寬104 m，面積約49608 m2，煤柱主要為7 m×7 m，有9塊20 m×30 m和20 m×40 m的煤柱，采硐寬5 m。

3）房采中間隔離煤柱區：隔離煤柱長422 m，寬10 m，面積約 4220 m2。

4）房采大煤柱區：長404 m，寬85 m，面積約34340 m2，其中較小煤柱5 m×15 m，有12塊15 m×40 m煤柱，采硐寬5 m。

5）機尾集中煤柱區：包括1-2煤房采巷道保護煤柱和大巷巷間煤柱，面積共約24325 m2；房采巷道保護煤柱長405m，通條煤柱寬35m，面積約14175m2；大巷巷間單條煤柱長15～60 m，寬15 m，總煤柱面積約10150 m2[2]。

2 煤柱集中載荷在底板中傳遞規律

房采區煤柱上所受載荷的大小與煤層埋深、煤柱尺寸、煤房尺寸、煤層傾角、覆巖巖性等因素有關，煤層埋藏越深、覆巖容重越大、煤層傾角越小，頂板壓力作用在煤柱的豎直分力就越大。在工程研究中，可以用簡化的力學模型計算出房采區煤柱所承受的平均載荷[1-3]。

根據“輔助面積法”，只考慮煤柱上覆巖層的自重應力場，認為房采采空區上覆巖層全部或部分重力加載到煤柱上，即煤柱所支撐的區域包括煤柱上方和外側相當于煤房或巷道1/2的區域。大井12煤房采區最小尺寸煤柱為7 m×7 m，采硐均為寬5 m，由于采硐寬度較小，且開采時間久遠，除房采采空區內直接頂冒落外，老頂基本不會冒落，并且采硐內冒落的直接頂矸石不承載頂板巖重，即矸石不接頂。

由于煤層傾角1°～3°近乎水平，所以按照最危險工況考慮，認為煤柱及采硐上覆巖層的全部重量全部加載在所留設的煤柱寬度上，房采區煤柱承受載荷示意圖如圖1所示[3]。

圖1 房采區煤柱承受載荷示意圖

房采區煤柱所受均布載荷作用的平均垂直應力σs按下式計算[4]：

式中：γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為平均開采深度，m；ρ為采出率；A為房采區采硐寬度，m；W為房采煤柱寬度，m；L為房采煤柱長度，m。

另L=W，公式得

由上式可知，在埋藏深度和覆巖容重一定時，煤柱所受的集中應力與煤柱尺寸和周邊采硐情況有關。22202工作面采硐均為5 m，根據“輔助面積法”可知，工作面未開采時，即煤柱均未發生破壞，大煤柱所受的集中應力要小于小煤柱。

3 不同開采條件對工作面礦壓影響模擬

根據工作面支架選型狀況，模擬設計工作面支架的支護強度為1.38 MPa，控頂距5 m，綜采工作面采高為3.7 m。以工作面煤壁處設為坐標0點，支架側為正坐標，煤體一側為負坐標，對模型a（均勻小型煤柱）、模型b（均勻大型煤柱）、模型c（孤立大型煤柱模型）和d（實體煤）進行數值運算。

統計4種模型中部監測點工作面頂板下沉量對比，如表2和圖2所示。

由表2和圖2可知：

表2 4種模型中部監測點工作面頂板下沉量 mm

圖2 4種模型中部監測點工作面頂板下沉量

1）工作面支架上方，模型a（均勻小型煤柱）頂板下沉量約為110mm，模型b（均勻大型煤柱）頂板下沉量約為50mm，模型c（孤立大煤柱）頂板下沉量約為330mm，模型d（實體煤）頂板下沉量約為19mm[4]；

2）工作面上方為實體煤時，頂板下沉量微小，房采區下工作面頂板下沉量明顯大于在實體煤下；

3）模型a（均勻小型煤柱）頂板下沉量要大于均勻大煤柱下，均勻小煤柱條件下頂板下沉量與實測基本吻合，而大煤柱條件下均在工作面兩端，對工作面影響不大，甚至形成“弧三角形懸板”結構，表現出兩端無周期來壓現象，并未測量其頂板下沉量；

4）當上方房柱采空區為孤立大型煤柱時，支架上方頂板下沉量要明顯大于其他3種條件下，而頂板下沉量約為330mm，與實測數據基本吻合。

統計模型a（均勻小型煤柱）與模型c（孤立大煤柱）在開挖300 m后的工作面頂板垂直應力，見表3和下頁圖3。

表3 模型a與模型c的工作面頂板垂直應力 MPa

由表3和下頁圖3可知，工作面支架上方，模型a（均勻小煤柱）頂板垂直應力約為1.6 MPa，模型c（孤立大煤柱）頂板垂直應力約為1.8 MPa，即當上方房柱采空區為大型煤柱時，支架上方頂板垂直應力比小型煤柱條件下的頂板垂直應力大0.2 MPa[5]。

4 結論

1）工作面未開采時，大煤柱所受的集中應力要小于小煤柱；但大煤柱集中應力在底板中傳遞距離20 m大于小煤柱的15 m；工作面采動時，大煤柱周圍的小煤柱破壞，形成孤立大煤柱，此時該煤柱承擔的頂板面積變大，形成的集中應力在底板中傳遞深度加大，造成工作面頂板應力集中現象。

圖3 模型a與模型c的工作面頂板垂直應力

2）對不同開采條件對工作面礦壓影響模擬得出，工作面在孤立大煤柱下頂板下沉量（330mm）最大，均勻小煤柱下（110mm）次之，實體煤下（19mm）最小，均勻大煤柱下為（50mm）小于均勻小煤柱下；孤立大煤柱下頂板垂直應力（1.8 MPa）比均勻小煤柱下頂板垂直應力1.6 MPa大0.2 MPa，即孤立大煤柱頂板壓力明顯大于均勻煤柱。