孤岛工作面保护煤柱宽度确定及合理性分析

陈意飞

（阳煤集团，山西 阳泉 045008）

煤矿地质条件、工作面衔接、采动影响规律等因素产生了采区最后开采的一个工作面，通常称之为“孤岛”工作面[1]。孤岛工作面受采动影响范围大，靠采空区一侧的煤体在其上覆岩层压力的作用下，矿压显现剧烈，煤体破碎严重，不稳定因素较多，巷道支护困难[2]。煤柱的主要作用是保护岩层内部巷道的稳定性和地表上方建筑物受回采扰动影响不至破坏，因此煤柱宽度直接影响巷道支护方案设计、巷道支护量、维护成本、围岩稳定性以及资源开采率等。为了尽可能提高煤炭采出率，同时保证回采过程的安全，特别是确保巷道周围岩层的稳定性，避免开采过程中巷道变形量大以至影响到工作面生产过程的继续，保护煤柱宽度的合理确定是兼顾巷道安全与资源回收率的重要保障和先决条件[3-4]。

国内一些煤矿通常做法是依据多年经验来确定保护煤柱宽度，为了不影响矿井的生产，他们往往采用留设偏大煤柱尺寸的做法，这种不科学的做法不仅浪费了大量的煤炭资源，同时也给现场遗留诱发安全事故的因素[5]。近年来国内外学者对保护煤柱的确定做了大量的研究和探讨，根据理论和现场实际相结合，提出了解决该问题的两种力学模型，即“窄煤柱”力学模型和“宽煤柱”力学模型。两种力学模型均有各自特点，“窄煤柱”力学模型中进风巷和回风巷位于支撑压力峰值附近，两帮矿压显现明显，巷道变形量较大，支护相对困难；“宽煤柱”力学模型两巷在回采期间支撑压力较小，巷道较为稳定，与“窄煤柱”力学模型相比，“宽煤柱”力学模型资源采出率低。由于开采条件、现场施工、煤层厚度、埋深等条件的限制，宽煤柱护巷目前在我国煤矿的应用实践较少，煤柱宽度的确定一般需要借鉴国内的经验[6]。

本文以“窄煤柱”力学模型为理论基础，着重探讨孤岛工作面合理煤柱宽度的确定，以及其合理性分析。引入修正系数概念，将理论和现场经验结合起来；工程中的应用，对现场巷道顶板下沉量、底鼓量、上下帮移近量已经回采过程围岩移动速度等参数进行了实测，分析了保护煤柱宽度留设的合理性，为类似条件的工作面提供了合理煤柱留设的实践参考。

1 煤柱宽度留设依据

煤层开挖过程中，保护煤柱受其上覆岩层移动过程中的载荷作用大致分为煤巷采中载荷施压阶段和回采过程中支撑压力阶段。采中载荷与回采过程中最大支撑压力两者之和构成了煤柱承压载荷。采中载荷施压阶段主要施力物体为煤柱上覆岩层，巷道开挖过程中，周围岩体重力施加到保护煤柱煤体上产生一载荷，该载荷对煤柱的影响范围可达60～150 m。煤柱上覆岩层将重力施加到煤柱煤体上，煤体自然会给岩层一反作用力即支撑压力。支撑压力的分布特点主要为：近煤柱壁面区域达到最大值，靠近煤体中心则变小。支撑压力分布规律，见图1。

大量的研究和现场实测证明：煤柱承压载荷中，回采过程中产生的载荷远大于巷道掘进时上覆岩层施加到煤柱上的载荷。因此，支撑压力对保护煤柱宽度留设起到关键作用，留设的煤柱宽度要保证煤柱强度大于煤柱的承压载荷。

图1 煤柱支撑压力分布规律图

2 煤柱宽度设计

煤柱设计时，主要考虑巷道宽度、巷道最大垂深、煤层厚度、煤的抗压强度等，理论数值计算如下公式：

式中：S为保护煤柱宽度，m；H为巷道最大垂深，m；M为煤层厚度，m；f为普氏系数为煤的单轴抗压强度，MPa；α为巷道宽度，m。

以上公式计算的数值偏小，若按照此数值设计保护煤柱的宽度时，支护成本较大，经过大量的现场实测和比较，引入修正系数优化设计参数，修正后的煤柱宽度Sx计算公式：

式中：Sx为修正后的保护煤柱宽度，m；K为修正系数。

3 工程实例

某矿208工作面为二采区孤岛工作面，四邻情况：北侧为采区皮带巷，西面是206工作面（已采空），东面是210采空区，南面三采区304工作面（以采空）；208工作面开采山西组中下部3号煤层，煤层赋存稳定、平均厚为6.4 m，含两层夹矸，其结构为6.4 m=1.8（1.0）1.6（0.2）1.8，容重为 1.4 t/m3；煤层节理发育，埋藏深度距地面330 m，煤岩类型以半亮型贫瘦煤为主，实验室条件下煤层单轴抗压强度19.1 MPa。顺槽支护形式为锚联网支护，运输顺槽长度860 m，巷道宽度4.2 m，巷道高度3.2 m，巷道平均坡度8°。

煤层单轴抗压强度为19.1 MPa，巷道垂高330 m，煤层厚度6.4 m，巷道宽度4.2 m，根据式（1）计算的保护煤柱宽度S为17.7。

查修正系数可知：埋深330 m、普氏系数f为1.31～1.4时的修正系数为1.09～1.13，代入修正公式（2）得到的煤柱宽度Sx为19.3～20 m。以此为依据，保护煤柱设计宽度为20 m。

4 煤柱宽度合理性分析

为了全面掌握208“孤岛”工作面矿压显现规律和围岩控制的效果，确定保护煤柱留设的合理性，在皮带顺槽分别距工作面30 m、50 m、80 m、120 m和150 m的位置布置了监测站，监测数据包括：顶底板移近量、底鼓量、两帮移近量（上帮移近量、下帮移近量）、顶板下沉量等，观测结果，如表1所示。

表1 监测数据统计表

5 结论

1)“孤岛”工作面回采期间矿压显现明显，巷道变形量大，支护困难，因此合理留设保护煤柱宽度，不仅可以减小巷道维修工作量和维护成本，而且也能提高煤炭采出率。

2)公式（1）计算的煤柱宽度偏小，大量的工程实践经验得到的修正参数，对煤柱理论值加以修正，得到的数据更加合理有效。

3)208工作面保护煤柱宽度理论计算值为17.7 m，修正后为20 m。

4)20 m的保护煤柱对208工作面矿压显现的控制数据主要有：顶板移近量累计574 mm，平均移动速度18.65 mm/d；底鼓量累计183 mm，平均移动速度7.2 mm/d；两帮移近量累计421 mm，平均移动速度13.4 mm/d；顶板下沉量累计448 mm，平均移动速度14.3 mm/d。所有监测指标正常，因此20 m的保护煤柱对208工作面是合理的。

[1]刘长友,刘奎,郭永峰.超长“孤岛”综放面大煤柱护巷的数值模拟[J].中国矿业大学学报,2006,35(4):473-477.

[2]柏建彪,张金亮,王龙芳.孤岛综放面巷道支护机制和技术研究[J].矿山压力与顶板管理,2002(4):5-7.

[3]华心祝,刘淑,刘增辉.孤岛工作面沿空掘巷矿压特征研究及工程应用[J].岩石力学与工程学报,2011,30(8):1646-1651.

[4]陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[5]谈生荣,熊和平,邹云丰.保护煤柱计算方法的探讨[J].江西煤炭科技,2007(2):80-81.

[6]魏峰远,陈俊杰,邹友峰.留设保护煤柱尺寸的影响因素及变化规律探讨[J].中国矿业,2006,15(12):61-63.