孫志剛

（汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

1 工作面開(kāi)采條件

1.1 開(kāi)采地質(zhì)條件

22202工作面為某礦區(qū)22煤二盤(pán)區(qū)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(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)采區(qū)域正上方為12煤房采采空區(qū)，煤柱基本未垮落，該房采區(qū)采用連采房柱式采煤工藝，房采采高達(dá)到7～7.5 m，采硐寬度5 m，煤柱7 m。采空區(qū)總面積為11.63萬(wàn)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(lián)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?dú)鈳?，煤塵具有爆炸性，屬于易自燃煤層，最短發(fā)火期30 d，無(wú)地溫異常。

1.2 工作面頂?shù)装迩闆r（見(jiàn)表1）

表1 22202綜采工作面煤層頂?shù)装迩闆r

1.3 工作面布置和開(kāi)采區(qū)域劃分

1.3.1 工作面布置

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

1.3.2 開(kāi)采區(qū)域劃分

根據(jù)22202工作面上方采空區(qū)煤柱的特點(diǎn)，將工作面面長(zhǎng)方向劃分為5個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)，各區(qū)尺寸和煤柱尺寸如下：

1）機(jī)頭房采巷道區(qū)：長(zhǎng)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(qū)：長(zhǎng)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(qū)：隔離煤柱長(zhǎng)422 m，寬10 m，面積約 4220 m2。

4）房采大煤柱區(qū)：長(zhǎng)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(jī)尾集中煤柱區(qū)：包括1-2煤房采巷道保護(hù)煤柱和大巷巷間煤柱，面積共約24325 m2；房采巷道保護(hù)煤柱長(zhǎng)405m，通條煤柱寬35m，面積約14175m2；大巷巷間單條煤柱長(zhǎng)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(guī)律

房采區(qū)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(guān)，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(jiǎn)化的力學(xué)模型計(jì)算出房采區(qū)煤柱所承受的平均載荷[1-3]。

根據(jù)“輔助面積法”，只考慮煤柱上覆巖層的自重應(yīng)力場(chǎng)，認(rèn)為房采采空區(qū)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(qū)域包括煤柱上方和外側(cè)相當(dāng)于煤房或巷道1/2的區(qū)域。大井12煤房采區(qū)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(kāi)采時(shí)間久遠(yuǎn)，除房采采空區(qū)內(nèi)直接頂冒落外，老頂基本不會(huì)冒落，并且采硐內(nèi)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(xiǎn)工況考慮，認(rèn)為煤柱及采硐上覆巖層的全部重量全部加載在所留設(shè)的煤柱寬度上，房采區(qū)煤柱承受載荷示意圖如圖1所示[3]。

圖1 房采區(qū)煤柱承受載荷示意圖

房采區(qū)煤柱所受均布載荷作用的平均垂直應(yīng)力σs按下式計(jì)算[4]：

式中：γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；H為平均開(kāi)采深度，m；ρ為采出率；A為房采區(qū)采硐寬度，m；W為房采煤柱寬度，m；L為房采煤柱長(zhǎng)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(shí)，煤柱所受的集中應(yīng)力與煤柱尺寸和周邊采硐情況有關(guān)。22202工作面采硐均為5 m，根據(jù)“輔助面積法”可知，工作面未開(kāi)采時(shí)，即煤柱均未發(fā)生破壞，大煤柱所受的集中應(yīng)力要小于小煤柱。

3 不同開(kāi)采條件對(duì)工作面礦壓影響模擬

根據(jù)工作面支架選型狀況，模擬設(shè)計(jì)工作面支架的支護(hù)強(qiáng)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(shè)為坐標(biāo)0點(diǎn)，支架側(cè)為正坐標(biāo)，煤體一側(cè)為負(fù)坐標(biāo)，對(duì)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(shí)體煤）進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算。

統(tǒng)計(jì)4種模型中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)工作面頂板下沉量對(duì)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(jiān)測(cè)點(diǎn)工作面頂板下沉量 mm

圖2 4種模型中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(shí)體煤）頂板下沉量約為19mm[4]；

2）工作面上方為實(shí)體煤時(shí)，頂板下沉量微小，房采區(qū)下工作面頂板下沉量明顯大于在實(shí)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(shí)測(cè)基本吻合，而大煤柱條件下均在工作面兩端，對(duì)工作面影響不大，甚至形成“弧三角形懸板”結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出兩端無(wú)周期來(lái)壓現(xiàn)象，并未測(cè)量其頂板下沉量；

4）當(dāng)上方房柱采空區(qū)為孤立大型煤柱時(shí)，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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

統(tǒng)計(jì)模型a（均勻小型煤柱）與模型c（孤立大煤柱）在開(kāi)挖300 m后的工作面頂板垂直應(yīng)力，見(jiàn)表3和下頁(yè)圖3。

表3 模型a與模型c的工作面頂板垂直應(yīng)力 MPa

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

4 結(jié)論

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

圖3 模型a與模型c的工作面頂板垂直應(yīng)力

2）對(duì)不同開(kāi)采條件對(duì)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(shí)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(yīng)力（1.8 MPa）比均勻小煤柱下頂板垂直應(yīng)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。