劉智敏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037042）

留設(shè)煤柱護(hù)巷的方式分為寬煤柱方式、窄煤柱方式、無(wú)煤柱方式，不同方式各有利弊。吳紹倩教授通過(guò)分析研究沿空煤柱礦壓規(guī)律，曾提出過(guò)無(wú)煤柱開(kāi)采方式；劉洋、李慶忠等在分析煤柱破壞規(guī)律的基礎(chǔ)上，查明了窄煤柱的變形破壞機(jī)理，提出了特厚煤層綜放工作面小煤柱留設(shè)技術(shù)理論。

1 概況

1.1 地質(zhì)賦存情況

挖金灣礦8102 工作面位于山4 號(hào)一盤(pán)區(qū)，該盤(pán)區(qū)北部與西延盤(pán)區(qū)主運(yùn)輸、輔助運(yùn)輸、南回風(fēng)巷相鄰，東部與南翼回風(fēng)巷、南翼主運(yùn)巷相接，西南部尚未開(kāi)拓，走向長(zhǎng)度1464.8 m，傾斜長(zhǎng)230.2 m，面積337196.9 m2，煤層厚度在3.47 m 左右，均含3 層夾石（0.08 ～0.23 m），煤層計(jì)算厚度3.07 m，煤厚變化穩(wěn)定。煤層頂?shù)装鍘r石類(lèi)型、厚度以及普氏硬度情況見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor situation of the coal seam

1.2 采礦方法

根據(jù)煤層賦存特征、厚度、巷道布置方式及以往開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，該工作面選用單一傾向長(zhǎng)壁后退式大采高綜合機(jī)械化開(kāi)采的采煤方法。該工作面采用MG900/2360—WD 型雙滾筒采煤機(jī)割煤，SGZ1000/3×855 型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，ZY12000/24/48D 型液壓支架、ZYG12000/24/48DH 型過(guò)渡支架和ZYT12000/24/48 型端頭支架管理頂板。該面煤厚變化穩(wěn)定，采用見(jiàn)頂見(jiàn)底方法開(kāi)采（采煤過(guò)程中遇到頂?shù)装逅绍?、破碎帶、大的地質(zhì)構(gòu)造、冒頂區(qū)等需改變采煤工藝時(shí)，另行制定專(zhuān)項(xiàng)安全技術(shù)措施）。

2 煤柱留設(shè)問(wèn)題的提出

綜放工作面沿空掘巷后的應(yīng)力分布和破壞機(jī)理如圖1 所示，通過(guò)分析表明沿空巷掘進(jìn)后應(yīng)力重新分布，尤其是特厚煤層回采后冒落矸石未能全部充填采空區(qū)域，導(dǎo)致在煤體邊緣頂板彎曲下沉，并形成破碎區(qū)域。左邊工作面采放期間，由于煤柱兩側(cè)空區(qū)未填實(shí)導(dǎo)致支撐力較小，從而引發(fā)頂板的二次斷裂，該次斷裂變形量大、應(yīng)力集中，增加了巷道支護(hù)難度。

圖1 沿空掘巷應(yīng)力分布和破壞機(jī)理Fig.1 Stress distribution and failure mechanism of gob-side entry driving

挖金灣礦8102 工作面順槽掘進(jìn)巷道尺寸為5.3 m×3.3 m，為保證巷道的整體穩(wěn)固性，有效隔離防火區(qū)和采空區(qū)瓦斯的涌出，采用了寬煤柱留設(shè)方式，留設(shè)煤柱寬度45 m。該方式雖然起到了隔離防火區(qū)的效果，但工作面順槽巷道由于礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致變形、冒頂嚴(yán)重，甚至局部底鼓，影響著礦井的安全高效生產(chǎn)，且兩工作面保安煤柱較寬，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，煤柱損失高達(dá)20%左右。針對(duì)以上情況，為實(shí)現(xiàn)窄小煤柱沿空掘巷提供安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的方案，開(kāi)展特厚煤層綜放工作面小煤柱留設(shè)技術(shù)研究。

3 沿空掘巷小煤柱寬度選擇方法

3.1 理論計(jì)算

煤柱合理寬度的確定如圖2 所示。小煤柱合理寬度B=x1+x2+x3，其中：x1為上區(qū)段煤體的屈服區(qū)寬度（計(jì)算公式見(jiàn)公式1）；x2為窄煤柱一側(cè)錨桿支護(hù)有效長(zhǎng)度，取值2.5 m；x3為該區(qū)域的安全系數(shù)寬度，x3=0.15～0.35(x1+x2)。

圖2 煤柱合理寬度的確定Fig.2 Determination of reasonable width of coal pillar

根據(jù)極限平衡理論，得出x1的計(jì)算公式。

式中：x1為上區(qū)段煤體的屈服區(qū)寬度，m；M 為上水平巷道高度，3.5 m；Px為煤柱受到采空區(qū)的側(cè)向約束力，取0；α 為煤層傾角，取0；σyl為煤柱抗壓極限強(qiáng)度，19.891 MPa；β 為屈服區(qū)與核區(qū)側(cè)壓系數(shù)，β=μ/(1-μ)；μ 為泊松比0.32；φ0為煤體受到的摩擦角，28°；C0為煤層受到的粘聚力，2 MPa；γ0為巖層平均體積力，0.025 MPa；d 為擾動(dòng)系數(shù)，考慮到實(shí)際開(kāi)采擾動(dòng)影響，取1.7。

將該工作面參數(shù)代入式（1），算得xl=3.55 m。根據(jù)已經(jīng)算得的xl=3.55 m，x2=2.5 m，計(jì)算得出小煤柱合理寬度B=6.88～7.99 m。

由此可見(jiàn)，挖金灣礦8102 工作面合理的小煤柱寬度應(yīng)為7～8 m。

3.2 工程類(lèi)比

（1） 千秋礦21201 工作面，該工作面地面標(biāo)高+580.13 m，井下標(biāo)高-138.10 m，實(shí)際平均采深735 m。煤層平均厚度19.18 m，煤層平均傾角12°，普氏硬度系數(shù)f 值為1.5，區(qū)段煤柱留設(shè)6 m。

（2） 山能巨龍礦一采區(qū)工作面。一采區(qū)平均開(kāi)采深度800 m，回采煤層厚9.03 m，普氏系數(shù)f=1.59，密度1.36 g/cm3，傾角2°～13°。煤柱寬度為5.0 m。

（3） 淮南謝橋礦1161（3） 工作面標(biāo)高-640—-720 m，斜長(zhǎng)205 m，煤層厚度5.53 m，普氏硬度系數(shù)f=0.7?；夭善陂g煤柱留設(shè)寬度取值3～5 m。

礦井實(shí)際生產(chǎn)表明，該煤柱留設(shè)寬度能夠?qū)崿F(xiàn)安全采礦。沿空巷掘進(jìn)期間，巷道穩(wěn)固、礦壓顯現(xiàn)不顯著，巷道無(wú)變形或者變形量較小，支護(hù)難度較??；煤層回采期間，礦壓稍有顯現(xiàn)，主要體現(xiàn)在超前支承壓力導(dǎo)致巷道有一定的形變量，采取補(bǔ)打錨桿、補(bǔ)打錨索方式即可實(shí)現(xiàn)沿空巷的穩(wěn)定支護(hù)。

3.3 綜合考慮其它特殊因素

①8102 工作面通風(fēng)巷，設(shè)計(jì)寬度5.0 m，開(kāi)挖寬度5.4 m，需要預(yù)留較寬煤柱；②挖金灣礦考慮煤層自燃性、采空側(cè)瓦斯溢出等安全因素；③8202區(qū)段煤層厚度分布不均，局部達(dá)到2.6 m，比礦區(qū)平均厚度小。

3.4 小煤柱寬度的確定

綜合考慮以上理論計(jì)算（理論分析7～8 m）、工程類(lèi)比（5～6 m） 以及其它因素的基礎(chǔ)上，確定小煤柱寬度為8 m。

4 應(yīng)用實(shí)踐及礦壓檢測(cè)

4.1 應(yīng)用實(shí)踐

挖金灣礦根據(jù)8102 工作面的賦存條件，選擇一個(gè)地點(diǎn)開(kāi)挖2 條巷道進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其中1 條巷道預(yù)留煤柱尺寸為5 m，另一條巷道預(yù)留煤柱寬度為25 m，該地點(diǎn)模擬工作面長(zhǎng)度180 m（x=[-90，90]），開(kāi)挖長(zhǎng)度200 m，煤柱寬度為5 m、25 m。煤層厚度15 m（y=[0，15]）。開(kāi)挖巷道5 m×3.5 m。

4.2 礦壓檢測(cè)

（1） 工作面礦壓在線監(jiān)測(cè)。中部、尾部均勻布置14 條測(cè)線（1 號(hào)、11 號(hào)、21 號(hào)、31 號(hào)、41號(hào)、51 號(hào)、61 號(hào)、71 號(hào)、81 號(hào)、91 號(hào)、101 號(hào)、111 號(hào)、121 號(hào)、131 號(hào)分別布置1 臺(tái)壓力分機(jī)），壓力分機(jī)的2 個(gè)接口分別接支架2 根立柱的下腔。

（2） 液壓支架礦壓監(jiān)測(cè)。在未安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的支架上安裝YHY60（A） 型光控?cái)?shù)字壓力表，對(duì)支架前、后柱油缸下腔的壓力進(jìn)行監(jiān)控，在工作面呈“一”字型，用于檢測(cè)支架的工作阻力，輔助支架工升架。

支架儀表選型：液壓支架使用的儀表為YHY60（A），表量程為0 ～60 MPa，精度2 級(jí)，測(cè)量通道數(shù)2 點(diǎn)，壽命＞24 個(gè)月，同時(shí)可更換電池組；液壓支架型號(hào)為ZZ13000/25/50 型，支架承壓范圍為0～50 MPa，在儀表范圍內(nèi)，同時(shí)壽命較長(zhǎng)，適合煤業(yè)公司的液壓支架使用。

（3） 順槽礦壓監(jiān)測(cè)。①在兩巷每50 m 頂板的正中至少安裝1 臺(tái)頂板離層儀，型號(hào)為L(zhǎng)BY-3，每周進(jìn)行1 次人工數(shù)據(jù)采集，并更新頂板離層儀牌板，出井后填寫(xiě)臺(tái)賬；②每條順槽必須配備1 臺(tái)型號(hào)為YHY6D（D） 礦用本安型壓力計(jì)，放于兩順槽超前支護(hù)范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的觀測(cè)和分析，總結(jié)超前范圍內(nèi)的壓力分布規(guī)律，驗(yàn)證支護(hù)參數(shù)是否合理。

4.3 檢測(cè)效果評(píng)價(jià)

開(kāi)挖沿空巷道以后的應(yīng)力分布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：煤柱為5 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)的沿空巷道垂直應(yīng)力也較小，煤柱寬度＜10 m，沿空巷道的應(yīng)力集中較小，巷道處于低應(yīng)力區(qū)；煤柱寬度為25 m 時(shí)，應(yīng)力集中明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致巷道所受到的應(yīng)力較大。

圖3 沿空巷道開(kāi)挖后垂直應(yīng)力Fig.3 Vertical stress of gob-side entry after excavation

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)挖金灣礦煤層賦存條件進(jìn)行分析，參考理論計(jì)算、工程類(lèi)比以及其它因素的基礎(chǔ)上，確定了8102 沿空巷沿空側(cè)煤柱寬度為8 m。實(shí)踐表明，小煤柱留設(shè)技術(shù)相對(duì)于寬煤柱留設(shè)方式，具有改善沿空巷道應(yīng)力集中的效果，使得巷道處于低應(yīng)力區(qū)，避免了礦壓顯現(xiàn)導(dǎo)致的巷道變形、冒頂、底鼓問(wèn)題，并且該技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的高效利用，降低了寬煤柱導(dǎo)致的資源損失，效果較好。